(57)【要約】  本明細書は、単一モード出力を、また任意選択により単一偏光出力を有するＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）デバイスを開示するものである。このデバイスは、ＰＢＧ（フォトニックバンドギャップ）効果による横モード閉じ込めによって得られ、そのＰＢＧ効果は、部分的なＶＣＳＥＬ上部ミラーにおいて浅くエッチングすることによるものである。ＰＢＧ領域はＭＳ領域（モード整形領域）を囲んでおり、そのＭＳ領域は縦方向のモード損が大きいことを特徴とする。ＭＳ領域はＬＡ領域（光アパーチャ領域）を囲んでおり、そのＬＡ領域は縦方向のモード損が低いことを特徴とする。ＭＳ領域は、ＬＡアパーチャへの横モード閉じ込めには寄与せず、横モードはＰＢＧ領域によって閉じ込められる。したがって、ＶＣＳＥＬは単一基本モード動作に対して最適化される。【選択図】図６
2008522388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層構造を含む垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であって、その多層構造は１つまたは複数の層で規定された異なる領域を備え、前記異なる領域間の関係は、前記層に垂直な方向に沿った突出部において決定され、前記ＶＣＳＥＬは、
光を生成し、その生成した光を放出するための活性領域を有する半導体材料層と、
第１および第２の少なくとも実質的に平行なミラーであって、前記活性領域を備えたレーザ空洞を形成し、前記レーザ空洞および前記活性領域は、前記生成した光に対し、少なくとも１つの縦方向の電磁モードを支援するミラーと、
光子寿命を長くして前記活性領域とオーバーラップする中心光アパーチャ（ＬＡ）領域と、
前記第１および／または前記第２のミラーの中に形成されるか、または前記第１および／または前記第２のミラーに隣接して形成され、かつ前記ＬＡ領域を囲み、光子寿命を前記ＬＡ領域よりも短くするモード整形領域（ＭＳ）と、
前記第１および／または前記第２のミラーの中に形成されるか、または前記第１および／または前記第２のミラーに隣接して形成され、かつ前記ＭＳ領域を囲み、前記ＭＳ領域および前記ＬＡ領域にモードの横方向閉じ込めを提供するように設計されたモード閉じ込め領域（ＭＣ）とを備え、
前記ＬＡ領域、前記ＭＳ領域および前記ＭＣ領域の寸法は、前記空洞の各横電磁モードにおいてレーザ動作の効率を操作するように選択されている垂直共振器面発光レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域および前記ＭＳ領域は、前記活性領域と接触して形成されていないＶＣＳＥＬ。
【請求項３】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域および前記ＭＳ領域は、前記活性領域に隣接する層内に形成されていないＶＣＳＥＬ。
【請求項４】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域は前記ＭＳ領域に対する非導波路であり、前記ＭＳ領域は、前記ＬＡ領域へのモードの横方向の閉じ込めを、減少または最小化するように設計されているＶＣＳＥＬ。
【請求項５】
請求項４に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＳ領域は、縦方向空洞共振波長を前記ＬＡ領域の縦方向空洞共振波長よりも長くする垂直構造に形成されているＶＣＳＥＬ。
【請求項６】
請求項４に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＳ領域の構造は、前記ＭＳ領域と前記ＬＡ領域との境界において横方向の波長の反射をもたらすことのない周期性を有しているＶＣＳＥＬ。
【請求項７】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記方向における前記ＭＳ領域および前記ＭＣ領域の寸法は、前記方向におけるＶＣＳＥＬの全体寸法よりも相当に小さいＶＣＳＥＬ。
【請求項８】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域および前記ＭＳ領域に注入電流を閉じ込める手段をさらに備え、前記注入電流を閉じ込める手段は、前記ＭＳ領域を囲む前記多層構造の領域におけるプロトン打ち込みを含んでいるＶＣＳＥＬ。
【請求項９】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域および前記ＭＳ領域に注入電流を閉じ込める手段をさらに備え、前記注入電流を閉じ込める手段は、前記ＬＡ領域を囲む前記多層構造の単一または複数の層の選択的酸化を含んでいるＶＣＳＥＬ。
【請求項１０】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＣ領域は１次元ＰＢＧ構造を備えているＶＣＳＥＬ。
【請求項１１】
請求項１に記載の半導体レーザであって、前記ＭＣ領域は、１つまたは複数の垂直方向に構造化されたリングからなり、そのリングは、横方向の４分の１波長の奇数倍を０％〜５％または０％〜１０％または０％〜１５％または０％〜２０％または０％〜２５％または０％〜３０％だけ増加または減少させた幅を有する半導体レーザ。
【請求項１２】
請求項１に記載の半導体レーザであって、前記ＭＣ領域は、楕円形、長方形または非対称の垂直方向に構造化されたリングからなり、そのリングは、横方向の４分の１波長の奇数倍を０％から３０％だけ増加または減少させた幅を有する半導体レーザ。
【請求項１３】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＣ領域は２次元ＰＢＧ構造を備えているＶＣＳＥＬ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のＶＣＳＥＬであって、前記２次元ＰＢＧ構造の周期性または寸法は、偏光制御を得るように、選択された領域において修正されるＶＣＳＥＬ。
【請求項１５】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＳ領域は、垂直方向に構造化されたリングまたはドーピングされたリングからなり、そのリングは、横方向の４分の１波長の偶数倍を０％〜５％または０％〜１０％または０％〜１５％または０％〜２０％または０％〜２５％または０％〜３０％だけ増加または減少させた幅を有するＶＣＳＥＬ。
【請求項１６】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＳ領域は、前記ＬＡ領域に対する前記ＭＳ領域の横方向の反射を最小化するミクロ／ナノ構造化された領域であるＶＣＳＥＬ。
【請求項１７】
請求項１に記載の半導体レーザであって、前記ＭＳ領域は、楕円形、長方形または非対称の垂直方向に構造化されたリングからなり、そのリングは、横方向の２分の１波長の奇数倍を０％から３０％だけ増加または減少させた幅を有する半導体レーザ。
【請求項１８】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域、前記ＭＳ領域および前記ＭＣ領域は、部分的な半導体ＤＢＲ上部ミラー内に実装されているＶＣＳＥＬ。
【請求項１９】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域、前記ＭＳ領域および前記ＭＣ領域は、誘電体上部ミラー層内に実装されているＶＣＳＥＬ。
【請求項２０】
多層構造を含む垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であって、その多層構造は１つまたは複数の層において規定された異なる領域を備え、前記異なる領域間の関係は、前記層に垂直な方向に沿った突出部において決定され、前記ＶＣＳＥＬは、
活性領域と、
第１および第２の少なくとも実質的に平行なミラーであって、前記活性領域を備えたレーザ空洞を形成するミラーと、
光子寿命を長くする光アパーチャ（ＬＡ）領域と、
前記第１および／または第２のミラーに隣接して形成されるか、または前記第１および／または第２のミラーの中に形成され、前記ＬＡ領域へ横方向にモードを閉じ込めるように設計されたモード閉じ込め（ＭＣ）領域とを備え、
モード整形（ＭＳ）領域が前記ＬＡ領域と前記ＭＣ領域との間に形成され、前記ＭＳ領域は前記第１および／または第２のミラーに隣接して形成されるか、または前記第１および／または第２のミラーの中に形成され、光子寿命を前記ＬＡ領域よりも短くする垂直共振器面発光レーザ。
【請求項２１】
請求項２０に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域は前記ＭＳ領域に対する非導波路であり、前記ＭＳ領域は前記ＬＡ領域へのモードの横方向の閉じ込めを減少または最小化するように設計されているＶＣＳＥＬ。
【請求項２２】
請求項２０に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＳ領域は、縦方向空洞共振波長を前記ＬＡ領域の縦方向空洞共振波長よりも長くする垂直方向の構造化によって形成されているＶＣＳＥＬ。
【請求項２３】
請求項２０に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＳ領域の構造は、前記ＭＳ領域と前記ＬＡ領域との境界において横方向の波長の反射をもたらすことのない周期性を有するＶＣＳＥＬ。
【請求項２４】
垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の横電磁モードにおけるレーザ動作の効率を操作する方法であって、
活性領域と、第１および第２の少なくとも実質的に平行なミラーであって、前記活性領域を備えるレーザ空洞を形成するミラーと、光子寿命を長くする中心光アパーチャ（ＬＡ）領域とを備えたＶＣＳＥＬを設けるステップと、
モード整形（ＭＳ）領域を前記ＬＡ領域の周りに形成して、前記ＬＡ領域を前記ＭＳ領域に対する非導波路とすることによって、モードの横方向の輪郭に応じてモードに損失を生じさせるステップであって、前記ＭＳ領域は、前記ＬＡ領域よりも光子寿命を短くするステップと、
前記ＭＳ領域の周りにモード閉じ込め（ＭＣ）領域を形成することによって、前記ＭＳ領域および前記ＬＡ領域へと横方向にモードを閉じ込めるステップとを含む方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法であって、前記ＭＳ領域を形成するステップは、前記ＬＡ領域から前記ＭＳ領域へのモードの漏出を確実にするステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に光導波路における横モード制御の分野に関し、具体的には垂直共振器面発光レーザにおける横モード制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、しきい値が低いこと、寸法が小さいこと、ウェーハ上で試験が可能であること、ならびにファイバ結合効率が高いことなど、複数の利点を有している。単一モードＶＣＳＥＬは、十分に高い単一モード出力パワー（５ｍＷ〜２０ｍＷ）をＶＣＳＥＬから引き出すことができる場合、データ通信（放出波長λ＝８５０ｎｍ）および電気通信（λ＝１．３μｍ〜１．７μｍ）などの用途に特に有用となる。
【０００３】
ＶＣＳＥＬは、デバイス構造の上部または下部から、半導体基板平面に対して垂直に出力光を放出する。ＶＣＳＥＬは、基板表面に平行に配置されたミラーを有する面発光レーザであり、そのミラーは、ミラーと基板表面との間に光共振器を形成して封じ込めている。ＶＣＳＥＬは通常、第１のミラースタックと第２のミラースタックが配置される基板を有しており、その第１のミラースタックと第２のミラースタックとの間の活性領域は、量子井戸または量子ドットのいずれかを含んでいる。ＶＣＳＥＬにおける１パス当たりの利得は端面発光レーザよりも一層低いため、より高いミラーの反射率が必要となる。この理由により、ＶＣＳＥＬにおけるミラースタックは通常、複数の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ミラーを備えており、その分布ブラッグ反射器ミラーは９９％以上の反射率を有することができる。電気接点は通常第２のミラースタック上に配置されており、他の接点は基板に接触している反対側に設けられている。電流が２つの接点間に流れるように注入されると、レージング（ｌａｓｉｎｇ）が活性領域から誘起され、ＶＣＳＥＬの上面または下面のいずれかから放出される。ＶＣＳＥＬ構造の概略的図面を図１に示す。
【０００４】
図１は、従来技術によるＶＣＳＥＬ１００の例を示す。ＶＣＳＥＬ１００のコアは、量子井戸１１２を含む活性領域１１０である。図１において、活性領域１１０は、上方のＤＢＲ層１０８および下方のＤＢＲ層１１４によって境界を区画されている。ＤＢＲ層の一方はｎ型半導体材料を有し、他方はｐ型半導体材料を有している。ＤＢＲ層は、屈折率が変化する材料の交互層によって形成されている。個々のＤＢＲ層は通常、約λ／４の厚さを有している。これらの交互層はしばしば、半導体材料または誘電体材料から形成されている。
【０００５】
光はＤＢＲ層の接合部において反射されるが、ＶＣＳＥＬに要求される高い反射率を達成するためには、多数の層を形成するか、または成長させなければならない。したがって、ＤＢＲ層１０８および１１４は、活性領域１１０を通じて光を反射するミラー層を形成する。光が放出されるＶＣＳＥＬ１００の光アパーチャは、通常ＤＢＲ層のうちの１つまたは複数（領域１０６）を選択的に酸化して形成されるか、または光が通過して脱出することができ、かつ電流が流れることができるアパーチャ１０７を形成するためにイオン注入することによって形成される。最後に、ＶＣＳＥＬ１００はまた、基板１１６と金属接点１０４および１１８とを有している。
【０００６】
活性領域１１０の構成は、しばしばＶＣＳＥＬ１００によって生成される波長と、通常はＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓのいずれかのある組合せから形成される波長とに関連付けられる。本発明はこれらの材料に限定されない。例えば、ＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、およびＩｎＧａＰが、しばしば６５０ｎｍ、７８０ｎｍ、８５０ｎｍ、９８０ｎｍ、１３００ｎｍおよび１５５０ｎｍの波長を放出する量子井戸において使用される。量子井戸または大きな活性領域の構造はバンドギャップに影響を及ぼし、バンドギャップはＶＣＳＥＬ１００によって生成された波長またはモードに関連する。
【０００７】
従来の光導波路におけるモード閉じ込めは、屈折率のより低いクラッドで囲まれ、屈折率の高いコアを有することによって達成される。この結果、導波路は全反射の原理に基づいたものとなる。ＶＣＳＥＬなどの光共振器において、空洞共振波長のシフトは、Ｈａｄｌｅｙ（Ｇ．Ｒ．Ｈａｄｌｅｙ、「Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ  ｍｏｄｅｌ  ｆｏｒ  ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．２０、Ｎｏ．１３、ｐ１４８３（１９９５））が指摘するとおり、通常の光導波路構造における有効屈折率の段差に一致する（Δλ／λ＝Δｎ／ｎ）。その結果として、ＶＣＳＥＬにおける横モード閉じ込めは、空洞共振波長の長いコアを、空洞共振波長の短いクラッド領域によって囲むことにより、達成することができる。そのようなＶＣＳＥＬにおける横モード閉じ込めは、従来の屈折率導波型ファイバにおける横モード閉じ込めと類似している。
【０００８】
対照的に、クラッドの屈折率において高度なトポロジー効果を有するミクロ構造ファイバ、通常はシリカクラッドにおける空気孔は、ファイバの中心の低屈折率コア（例えば大きい空気孔）への横モード閉じ込めを可能にする。これらのファイバは、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）ファイバとして示される。ＰＢＧファイバは、半導体の電子バンドギャップに対する光学的な対応物とみなしうる効果によって光を案内する。また、ＰＢＧファイバの光アパーチャは、ＰＧＢ欠損としても示され、周りを囲むクラッド領域よりも低い有効屈折率を有している。コアの屈折率がクラッドよりも低いファイバは、非導波路として示され、フォトニックバンドギャップ効果の非存在下ではいかなる横モードをも閉じ込めることがない。
【０００９】
ＶＣＳＥＬにおけるＰＢＧ効果による横モード閉じ込めは、空洞共振波長が変動する高度なトポロジー効果を有するクラッド領域によって囲まれたコア（光アパーチャ）によって実施することができる。ＶＣＳＥＬ  ＤＢＲ上部ミラーの上部をエッチングすると、結果として空洞共振波長がシフトする。したがって、ＶＣＳＥＬを局所的にエッチングすることは、空洞共振波長を局所的に変更するための効率的な方法であり、また、先の特許出願ＷＯ０２／０７３７５３に記載されたＰＢＧ効果による横モード閉じ込めを実施するための効率的な方法である。
【００１０】
明確にするために、光ファイバにおける屈折率の段差と、ＶＣＳＥＬのような光共振器における空洞共振条件との関係について、より詳細に説明することにする。
【００１１】
光共振器は、厚さがＬで屈折率がｎのスペーサで分離された２つの面平行のミラーを使用して実現することができる。一般性を失うことなく、それらの平面ミラーはｘｙ平面において延びていると仮定することができる。光共振器は、共振波長λｍ＝２Ｌｎ／ｍ，ｍ＝１，２，３，．．の組みで特徴付けられる。これらの波長を有する光は、垂直入射の際、共振器の中で透過率の増加を経験する。
【００１２】
レーザ空洞は、生成された光に対して複数の横モードを支援することができる。本出願において、横電磁モードは平面波の分布とみなすことができ、波ベクトル
【数１】
2008522388.tif 000003
【００１３】
で電磁場の伝搬を表す。波ベクトル
【数２】
2008522388.tif 000004
【００１４】
はいずれも、ミラーに平行な平面など、空洞の広がりに対して垂直である平面に照射することができる。そのような平面への
【数３】
2008522388.tif 000005
【００１５】
の照射は、波ベクトル
【数４】
2008522388.tif 000006
【００１６】
の横方向成分
【数５】
2008522388.tif 000007
【００１７】
として表され、横方向という語は、
【数６】
2008522388.tif 000008
【００１８】
ではなく空洞の広がりを指す。
【数７】
2008522388.tif 000009
【００１９】
の長さは
【数８】
2008522388.tif 000010
【００２０】
であり、ここで
【数９】
2008522388.tif 000011
【００２１】
は、有効な縦方向の屈折率である。
【数１０】
2008522388.tif 000012
【００２２】
の横方向成分は、このようにして、横方向の波長
【数１１】
2008522388.tif 000013
【００２３】
を決定するのに有用であり、したがってｚ方向の伝搬定数は
【数１２】
2008522388.tif 000014
【００２４】
であり、ここで
【数１３】
2008522388.tif 000015
【００２５】
である。
【００２６】
第１の例において、ＶＣＳＥＬのコアが短い空洞共振波長λｃｏｒｅを有し、一方でクラッド領域がより長い空洞共振波長λｃｌａｄを有するＶＣＳＥＬ共振器を仮定するとしよう。２つの領域の共振波ベクトルの長さは、
【数１４】
2008522388.tif 000016
【００２７】
である。まず、コア共振器と共振した電磁場、λ＝λｃｏｒｅおよび
【数１５】
2008522388.tif 000017
【００２８】
を考慮し、よって、この場は波ベクトル
【数１６】
2008522388.tif 000018
【００２９】
を有し、コア共振器内でｚ軸の方向にのみ伝搬する。しかしながら、クラッド共振器において、
【数１７】
2008522388.tif 000019
【００３０】
は一定に保たれるので
【数１８】
2008522388.tif 000020
【００３１】
であり、ここで
【数１９】
2008522388.tif 000021
【００３２】
または
【数２０】
2008522388.tif 000022
【００３３】
である。λｃｏｒｅ＜λｃｌａｄであるので、
【数２１】
2008522388.tif 000023
【００３４】
の値は実数であり、場はクラッド領域において自在に伝搬することができる。この場合、コア領域は非導波路である。ここで反対のλｃｏｒｅ＞λｃｌａｄの場合、
【数２２】
2008522388.tif 000024
【００３５】
の値はクラッド領域におけるエバネセント場に対応する複素数となる。この場合、コアは光学場に対する導波路となる。
【００３６】
説明した例は、空洞共振波長によってＶＣＳＥＬの導波特性または非導波特性がどのようにして決まるかを示すものである。さらに、説明した例は、横方向の波長
【数２３】
2008522388.tif 000025
【００３７】
が何を意味するかを明確に示すものであり、この横方向の波長は、ＶＣＳＥＬにおけるフォトニックバンドギャップ効果による横モード閉じ込めの実施について説明するときに頻繁に使用される。
【００３８】
ＰＢＧ導波路の場合、ＰＢＧミクロ／ナノ構造化の物理的寸法は、横方向の波長
【数２４】
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【００３９】
に関連し、また、
【数２５】
2008522388.tif 000027
【００４０】
は、縦方向の波長λｚならびに自由空間の波長よりも一層長いと予想されるため、極めて大きいと予想される。したがって、ＰＢＧ効果の実現は半導体加工技法の現行の限界によって制限されることはないと予想される。
【００４１】
垂直共振器面発光レーザの空洞共振波長は、ＶＣＳＥＬのブラッグミラー内の１つまたは複数の層の厚さを変動させることによって変化させることができる。空洞共振波長の変化は、ＶＣＳＥＬミラーをエッチングすると、エッチング深さの周期関数として観測することができる。
【００４２】
上述のように、導波路（ＶＣＳＥＬ）の横モード閉じ込めは、屈折率（空洞共振波長）の差に依存する。ＶＣＳＥＬのコア部分に対する空洞共振波長がクラッド領域と比較して長いかまたは短い場合には、ＶＣＳＥＬ上部ミラーの局所的エッチングはそれぞれ弱い屈折率導波路または弱い非導波路を形成するために用いることができる。ＶＣＳＥＬ上部または下部ミラーの反射率は、ミラーがエッチングによって薄くされると変化する。しかしながら、反射率はエッチング深さの関数として単調に増加するものではなく、空洞共振波長と同様に、エッチング深さの周期関数である。その周期性は、ブラッグミラー材料内での縦方向の４分の１波長によって与えられる。この周期的なミラー反射率の最大および最小反射率は、ＤＢＲミラー層のペアの数を減少させた結果としてエッチング深さが増加するために、当然ながら減少する。
【００４３】
図２は、垂直共振器面発光レーザ２００の例を示しており、この例において、フォトニックミクロ／ナノ構造２１０は、ＤＢＲミラー層２０２の上部に追加されている（例えばＷＯ０２／０７３７５３を参照）。活性領域２０４は、上部のＤＢＲ層２０２および下部のＤＢＲミラー層２０６によって境界を区画されている。フォトニックミクロ／ナノ構造２１０は、横モード制御のために、上方のＤＢＲミラーの上部から、浅いまたは深いエッチングが施されたホール２１２によって形成されている。フォトニックミクロ／ナノ構造は、光が放出される光アパーチャ領域２１４を規定している。横方向の電流閉じ込めは、通常ＤＢＲ構造内の１つまたは複数の層を選択的に酸化するかまたはイオン注入することによって形成される。電流アパーチャは、通常フォトニックミクロ／ナノ構造の光アパーチャ２１４よりも大きい。したがって、横方向の光および電流アパーチャは、この種のＶＣＳＥＬ２００の場合には分離される。したがって、横方向の光学モードは電気的な横方向の電流アパーチャとは独立して最適化される。
【００４４】
浅いエッチング（少数のＤＢＲミラー対のみ）の場合に完全な半導体上部ミラーをエッチングすると、空洞共振波長のシフトは比較的小さくなる。図２の領域２１０のようにＶＣＳＥＬのＤＢＲミラーの１つに深いホール（数周期分侵入する）をエッチングすると、空洞共振波長は数ナノメートル変化する。この場合、エッチングした領域２１２の縦方向の反射率は、ＤＢＲミラー層の対の数が減った結果により、著しく低下する。低下したＤＢＲ反射率は、達成した空洞共振波長のシフトとあいまって、光アパーチャ２１４に閉じ込められる横モードを決定する。場合によっては、広域型の端面発光レーザにより周知となっている利得導波機構と類似した工程において、横方向に変化する欠損がモード閉じ込めを抑制する。さらに、ＰＢＧ効果の実施には、エッチングされた領域とエッチングされていない領域との間で空洞共振波長を比較的大きくシフトさせることを必要とする。
【００４５】
エッチング深さの関数としての空洞共振波長の実際値は、ＤＢＲ内のエッチングの位置に依存する。ＰＢＧ構造がＶＣＳＥＬの活性領域に接近しており、ＤＢＲ上部ミラー内に埋め込まれている場合には、空洞共振波長の大規模なシフトは浅いエッチングによって可能となる。ＰＢＧ構造の位置はＤＢＲミラーの上部に接近しているため、最大空洞共振波長のシフトは（同じエッチング深さに対して）減少する。したがって、エッチングされた領域とエッチングされていない領域との間における必要となる高い空洞共振波長のシフトをもたらすために、浅いホール３１２は、図３に示すように、ＤＢＲの上部でエッチングされる代わりにＶＣＳＥＬ  ＤＢＲの１つの中でエッチングされる。空洞共振波長のシフトは、２００ｎｍ未満のエッチング深さに対して非常に大きく（数十ナノメートル）、ミラー反射率（ＶＣＳＥＬ空洞の光子寿命）は、この手法によってほとんど影響を受けない。
【００４６】
図３は、垂直共振器面発光レーザ３００の例を示し、この例において、フォトニックミクロ／ナノ構造３１８は、上部ＤＢＲミラー層３０２に埋め込まれている（例えばＷＯ０２／０７３７５３を参照）。ホール３１２の浅いエッチングは部分的な上部ミラーにおいてなされ、その上部ミラーの反射率はＶＣＳＥＬのレージングには不十分なものである。レージングに達するのに必要な上部ＤＢＲミラーの反射率は、例えば再成長処理工程または誘電性上部ミラーの付着によって得られる。すべてのＤＢＲ上部ミラー３０２は異なる３つの層からなり、第１の層は、エッチングされない部分的な上部ミラー領域３１６である。部分的な上部ミラー層３１８内の横方向ミクロ／ナノ構造３１０は、ホールを浅くエッチングすることによって作られている。上部ミラー３２０は、横方向のミクロ／ナノ構造３１０の規定後に付着または再成長される。
【００４７】
部分的なＤＢＲ上部ミラー層３１６は、省略されてもスペーサ層で置き換えられてもよい。さらに、ミクロ／ナノ構造化された層３１８は、部分的な半導体ＤＢＲ上部ミラー層または誘電体ＤＢＲ上部ミラー層あるいは半導体と誘電体の部分的なＤＢＲ上部ミラー層との組合せのいずれかにおける浅いエッチングによって、形成されてもよい。光アパーチャ領域３１４はＰＢＧ欠損を規定し、そのＰＢＧ欠損の領域に光が閉じ込められる。ＬＡ（光開口部）領域３１４の空洞共振波長は、通常少なくとも周りを囲む領域３１２および３１３よりも短いか、またはその領域３１２および３１３と等しい。空洞共振波長はエッチング深さに依存し、領域３１２、３１３および３１４の空洞共振波長の差は、異なるエッチング深さによって視覚化されている。最後に、ＶＣＳＥＬ３００は、また活性領域３０４と、下側のＤＢＲ下部ミラー３０６と、基板３０８とを有している。
【００４８】
Ｌ．Ｊ．ＭａｗｓｔおよびＤ．Ｚｈｏｕによる米国特許第６３９６８６５号には、ある垂直共振器面発光レーザが開示されており、その垂直共振器面発光レーザにおいて、横モード閉じ込めは、単一または２つの反共振反射光導波路（ＡＲＲＯＷ）リングを用いて実施されている。リング幅は、横方向の４分の１波長の奇数倍である。
【００４９】
単一のリングを使用するＡＲＲＯＷ法がまた、Ｄ．ＺｈｏｕおよびＬ．Ｊ．Ｍａｗｓｔ、「Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ−ａｎｔｉｒｅｓｏｎａｎｔ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ−ｔｙｐｅ  ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．７６、Ｎｏ．１３、ｐ．１６５９（２０００）において公表されている。ＡＲＲＯＷ法は、１つまたは２つの反共振反射リングを使用して、中心の非導波路においてモード閉じ込めが不十分であることによる横方向の導波路欠損を減少させる。非導波路は単一モード動作を促進し、一方で、非導波反射リングは、基本モードおよび高次モードに対する横方向の放射損失を減少させる。したがって、非導波路のみを用いるＶＣＳＥＬのしきい電流はＡＲＲＯＷモード閉じ込めリングを実装すると減少する。高次モードに対する横方向の放射損失もまたＡＲＲＯＷ設計においては減少するが、基本モードに対するものよりも依然として著しく高い。
【００５０】
Ｎ．Ｓ．Ｃｈｅｎ、およびＣ．Ｗ．Ｔｅｅによる「Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｏｎ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ  Ａｎｔｉｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒｓ」、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．１６、Ｎｏ．３、ｐ．７１１（２００４）において、非導波路（光アパーチャ）に隣接するリングが横方向の４分の１波長の奇数倍よりもわずかに幅広である場合、１つまたは２つの反共振リングＶＣＳＥＬ設計が改良された単極化モード安定性を有することを示している。リング幅は、最適な偏光安定性に対しては約λ／３まで増加し、リングは円形であり、２つの直交偏光状態に対する横方向の反射係数にいかなる非対称性をもたらすことはない。
【００５１】
これらの従来の単一モード設計は、以下のような方法に基づいている。その方法は、非導波路（光アパーチャ）が、非導波路への閉じ込めを高める領域（ＡＲＲＯＷリング）によって囲まれ、基本モードと高次モードの双方の横方向の放射損失が減少するというものである。これらのリングを追加すると、放射損失が減少することにより、非導波ＶＣＳＥＬ構造と比較して、しきい電流が減少する。しかしながら、基本および高次横モードの双方がこれらのＡＲＲＯＷ型ＶＣＳＥＬ設計に対しては強く閉じ込められるため、１つまたは２つの反射型リングによる横モード閉じ込めでは、より大きい光アパーチャ（非導波路）寸法に対する単一モード動作の有効時間は減少する。
【００５２】
これらの従来の単一モード設計の物理的な実現において、ＡＲＲＯＷリングを実現するためにエピタキシャル成長が用いられてきた。これはコストを要する製造方法であり、デバイスの加工において歩留まりが著しく低下する。さらに、この設計では電流を横方向に閉じ込めるためにイオン注入を用いる。このことには、光閉じ込めを生じることなく電流を制限するという利点がある。しかしながら、この方法は、大規模なプロセス変動および不安定性により、産業界で相当に断念されている。その代わりとして、酸化による閉じ込めがＶＣＳＥＬの現行の実装において広く用いられており、結果として高い歩留まりと優れた信頼性をもたらしている。酸化による閉じ込めをＡＲＲＯＷ型単一モードＶＣＳＥＬにおいて生じさせることは困難であり、依然として実証されていない。酸化層が存在することから、酸化アパーチャ自体の横方向の閉じ込めにより、ＡＲＲＯＷリングの機能が妨げられる。
【００５３】
米国特許第６１８５２４１号には、環状金属層が吸収性アパーチャを導入することによって高次モードを抑制するミクロキャビティレーザが開示されている。環状金属層の直径の典型的な値は５μｍであり、モード依存性の損失を生じる他に、環状金属層はまたレーザのアパーチャを規定する。米国特許第５８３８７１５号には、ある損失決定要素を備えるＶＣＳＥＬが開示されており、その損失決定要素は、光軸（基板法線に平行な軸）からの横方向の距離が増加するにつれてＶＣＳＥＬの光共振器の光損失を漸次的に増加させる。環状金属層はモード依存性の損失をもたらし、またレーザの光アパーチャを規定する。損失決定要素は通常、レンズ効果をもたらす曲線部である。
【００５４】
米国特許第５４３２８１２号には、ある３次元光学反射器を有するミクロキャビティ半導体レーザの使用法が開示されており、その３次元光学反射器は、様々な方向に沿った自然放出を制御するため、ならびに、自然放出と特定のレーザモードとの結合比を増加させ、それによってレーザのしきい電流を減少させるために、二重ヘテロ構造部を扱っている。米国特許第５４３２８１２号に開示された発明によるレーザ装置の実施形態は、図２の２１０または図３の領域３１０で示すものと類似したＰＢＧ構造を有することができる。米国特許第５４３２８１２号によるレーザ装置は、レーザ装置の二重ヘテロ構造部を備えた光学反射器を有しており、その二重ヘテロ構造部はレーザの活性領域を囲む部分である。
【発明の開示】
【００５５】
本発明の目的は、大口径単一モード高出力ＶＣＳＥＬを提供することのできるＶＣＳＥＬにおいて、横モードを制御するための技法を提供することである。
【００５６】
本発明では、大口径単一モード高出力動作を可能にする基本構造の詳細を提供することによって、改善されたＶＣＳＥＬ設計が得られる。主題の性質は複雑であることから、この新規なＶＣＳＥＬ設計に伴う特徴の概要を以下に示す。これは概要を把握し、本発明の用語および構想を紹介するためであり、本発明の範囲または発明のステップを限定するためには用いられないものとする。
【００５７】
本発明による横モード制御は、横モード閉じ込めとモード寸法に依存する光損失とを組み合わせることによって実施される。閉じ込め／損失は、縦方向の層構造を局所的に変更することによって、通常は、少量の付加的な材料を付着させることによって、または部分的な上部（下部）ミラー内で、もしくは部分的な上部（下部）ミラーの中で浅くエッチングすることによって得られる。以下の横方向領域の配置は、別段の指定がない限り、ＶＣＳＥＬの上部から見えるとおりに表され、かつ光軸（基板に垂直）に沿って見えるとおりに表されている。「上部」は、基板端面の反対側のＶＣＳＥＬの端面を指している。したがって、例を挙げると、図４の層４１２はＶＣＳＥＬ４２４の最上部である。垂直方向は光軸に平行であり、横方向は光軸に垂直である。
【００５８】
横モード制御は、ＶＣＳＥＬの単一基本モード動作を確実にするために用いられる。横モード制御は、３つの異なる横領域を有することによって実施される。コアは通常構造化されておらず、（第１の）光アパーチャ（ＬＡ）を意味するが、これは、レージングの横モードが主にこの領域に閉じ込められるからである。光アパーチャの縦方向のミラー反射率は、縦方向の反射（縦方向の損失が低い、または光子寿命が長いことを意味する）を高くするように最適化されており、その結果として、空洞の光子寿命は長く、しきい電流は低く、出力パワーは高くなる。
【００５９】
ＬＡを囲む第２の領域は、モード整形領域（ＭＳ領域）と呼ばれる。ＭＳ領域では、光アパーチャへの光学モードの横方向の閉じ込めが生じることはないが、これは、ＭＳ領域が好ましくはＬＡの縦方向空洞共振波長よりも長い縦方向空洞共振波長を有しているからである。したがって、光アパーチャすなわちコアは非導波路構造であり、横モードはコアからＭＳ領域内へと漏出する。空洞共振波長としての反射率はエッチング深さの周期関数であるため、縦方向の反射率がより低く、したがって光子寿命が光アパーチャよりも短くなるように、ＭＳ領域のより長い空洞共振波長が選択される。それ故に、ＭＳ領域内に相当に侵入する横モードは大きな損失を受けるため、結果としてレージングに対するしきい電流が高くなる。環形状の領域の場合に、ＭＳ領域の幅は、横方向の波長
【数２６】
2008522388.tif 000028
【００６０】
の２分の１の正整数倍となるように選択され、それによって、この環形状の領域からの横方向反射率が最小化される。
【００６１】
横方向の４分の１波長の導入は、ブラッグミラーに類似していることによりなされる。しかしながら、冷空洞固有モードはベッセル関数で記述されるため、横方向の波長は、ＶＣＳＥＬにおける横モード閉じ込めの場合、半径の関数である。Ｃ．Ｗ．Ｔｅｅ、Ｃ．Ｃ．ＴａｎおよびＳ．Ｆ．Ｙｕによる「Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａｎｔｉｒｅｓｏｎａｎｔ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ−ｔｙｐｅ  ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒｓ  ｕｓｉｎｇ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｍａｔｒｉｘ  ｍｅｔｈｏｄ」、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．１５、Ｎｏ．９、ｐ．１２３１（２００３）に述べられているように、ベッセル関数のゼロはしたがって半径方向の寸法（横方向の波長）を決定する。本発明者らのＶＣＳＥＬ設計における横方向の波長の標記はしたがって定数ではなく、ＶＣＳＥＬの冷空洞モードを表すベッセル関数に関連している。しかしながら、ベッセル関数との関連について述べることなく、単にブラッグミラーとの類似に関連して横方向の波長を示すと便利である。本発明者らの設計指標における横方向の波長はしたがって定数ではなく、ベッセル関数のゼロによって決まる。
【００６２】
ＭＳ領域が存在しても、ＬＡへの横モード閉じ込めが生じることはない。ＬＡをＭＳ領域と組み合わせることによって、ＶＣＳＥＬ構造は大きな横方向の放射損失を伴う。
【００６３】
ＭＳ領域は、ここでもミクロ／ナノ構造を有する領域によって囲まれており、そのミクロ／ナノ構造では、横方向の波長
【数２７】
2008522388.tif 000029
【００６４】
の範囲内の期間で空洞共振波長が変動する。その変動により、ＬＡおよびＭＳ領域への良好な横モード閉じ込めがもたらされる。言い換えれば、ＭＳ領域はモード閉じ込め領域（ＭＣ領域）によって囲まれており、そのモード閉じ込め領域は光の伝搬を禁止し、したがってＬＡおよびＭＳ領域への横モード閉じ込めをもたらす。
【００６５】
ＭＣ領域の空洞共振波長は、ＬＡ領域の空洞共振波長よりも長いか、またはＬＡ領域の空洞共振波長に少なくとも等しい（空洞共振波長は、エッチング深さまたは成長／付着高さの周期関数であることに注意）。したがって、ＭＳ領域とＭＣ領域の双方は、コアよりも長い空洞共振波長を有するため、ＭＳ領域もＭＣ領域もそれ自体は、横方向の閉じ込めをもたらさず、それ故に、構造は、周囲のＭＣ領域およびＭＳ領域に対して依然として非導波路である。ＭＣ領域の周期構造は閉じ込めをもたらす。
【００６６】
通常、基本モードは、ＭＳ領域との小さなオーバーラップを有し、その一方で、高次モードはＭＳ領域とのより大きなオーバーラップを有する。光子寿命はＭＳ領域ではより短く、したがって、ＶＣＳＥＬの単一基本モード動作を確実にするモード選択の損失機構がもたらされる。（さらに、基本モードのみが十分に閉じ込められ、一方で、高次の横モードは非常に弱く拘束され、ＭＳ領域さらにまたＭＣ領域内にも比較的深く侵入することができ、このことによって、提案するＶＣＳＥＬの横モード選択性がさらに改善するように、ＭＣ領域を設計することができる。）
上記の説明は、本発明の全体的な概要を与えるためのものである。以下において、本発明の態様および好ましい実現形態についてより詳細に示すことにする。
【００６７】
一般に、ＶＣＳＥＬは多層構造を含む。以下において、異なる領域が１つまたは複数の層において規定され、このことは、構造全体にわたるモードの動作に影響を及ぼす。１つの層内の領域は他の層における動作に影響を及ぼすため、そのような領域は、物理的には１つまたはいくつかの層にあるが、構造のすべての層にわたる列を規定していると考えることができる。したがって、異なる領域の相対的な寸法、形状および位置は、以降で領域間の関係と呼ぶが、層に垂直な方向に沿った、すなわち上面図から見える突出部において決定される。
【００６８】
第１の態様において、本発明は、
光を生成するための、およびその生成した光を放出するための活性領域を有する半導体材料層と、
第１および第２の少なくとも実質的に平行なミラーであって、活性領域を備えたレーザ空洞を形成し、レーザ空洞および活性領域は、生成した光に対し、少なくとも１つの縦方向電磁モードを支援するミラーと、
光子寿命を長くし、かつ活性領域とオーバーラップするか、または少なくとも活性領域を囲む中心光アパーチャ（ＬＡ）領域と、
第１および／または第２のミラーの中に形成されるか、または第１および／または第２のミラーに隣接して形成され、かつＬＡ領域を囲むモード整形（ＭＳ）領域であって、光子寿命をＬＡ領域よりも短くするモード整形領域と、
第１および／または第２のミラーの中に形成されるか、または第１および／または第２のミラーに隣接して形成され、かつＭＳ領域を囲むモード閉じ込め（ＭＣ）領域であって、ＭＳ領域およびＬＡ領域へモードを横方向に閉じ込めるように設計されたモード閉じ込め領域とを備え、
ＬＡ領域、ＭＳ領域およびＭＣ領域の寸法は、空洞の各横電磁モードにおいてレーザ動作の効率を操作するように選択されるＶＣＳＥＬを提供する。
【００６９】
他の定式化において、第１の態様は、
活性領域と、
第１および第２の少なくとも実質的に平行なミラーであって、活性領域を備えたレーザ空洞を形成するミラーと、
光子寿命を長くする光アパーチャ（ＬＡ）領域と、
モード整形（ＭＳ）領域と、
第１および／または第２のミラーに隣接して形成されるか、または第１および／または第２のミラーの中に形成され、ＭＳ領域およびＬＡ領域へ横方向にモードを閉じ込めるように設計されたモード閉じ込め（ＭＣ）領域とを備え、
モード整形（ＭＳ）領域はＬＡ領域とＭＣ領域との間に形成され、ＭＳ領域は第１および／または第２のミラーに隣接して形成されるか、または第１および／または第２のミラーの中に形成され、光子寿命をＬＡ領域よりも短くするＶＣＳＥＬを提供する。
【００７０】
適用する用語法をさらに説明すると、「ＬＡ領域を囲むＭＳ領域」という語は、ＭＳ領域とＬＡ領域が同じ層内に規定されることでななく、単に、ＭＳ領域の突出部がＬＡ領域の突出部を囲むこと、または、他の定式化では、第１の層においてＭＳ領域によって規定されたすべての層を通じた行が、第２の層においてＬＡ領域によって規定されたすべての層を通じた行を囲むことを必要とする。さらに、囲むという語は、周囲に閉ループを、そのループの形状を問わずに形成することと解釈される。ある場合には、例えば外側の領域が内側の領域を定義上囲むが、これは、外側の領域が開始されることは、自動的に内側の領域が終了することを意味するからである。内側の領域の物理的効果は、依然として外側の領域内に存在することもあるが、外側の領域に属する他の物理的効果の存在が領域の命名を規定する。したがって、領域が代わりにオーバーラップする手法をとることもできるが、その手法は、この文脈では利用されておらず、本発明の範囲を限定する際に利用されるべきではない。
【００７１】
また、この文脈において、リングは円形ではないが、円形構造などの任意の閉ループ構造であってもよい。リングが所与の層内に規定される場合、リングの幅は、実質的に半径方向におけるリングの寸法であるが、リングの厚さは層の厚さである。また、アパーチャは任意の形状の貫通開口部である。
【００７２】
空洞の各横電磁モードにおけるレーザ動作の効率を操作することによって、所定の効率を計画、設計または作成することが意図され、その所定の効率は、低い効率、中程度の効率または高い効率であってもよく、また、単に、設計者が望むのと同程度の適切な効率であってもよい。
【００７３】
好ましくは、ＬＡ領域およびＭＳ領域は、活性領域と接触して形成されない。また、ＬＡ領域およびＭＳ領域は活性領域に隣接する層内には形成されないことが好ましい。このことは、米国特許第５４３２８１２号によるレーザ装置とは対照的であり、そのレーザ装置は、自発放出と利得層との間の結合を向上させるために、活性領域と接触した反射体部分を有している。
【００７４】
また、本発明の第１の態様によるレーザ装置は、米国特許第６１８５２４１号によるレーザ装置とは根本的に異なるものである。米国特許第６１８５２４１号によるレーザ装置において、横モードは主に、光アパーチャとしても役立つ環状金属層によって制御される。
【００７５】
また、本発明の第１の態様におけるモード整形機構は、米国特許第５８３８７１５号に開示するものとは根本的に異なるものである。米国特許第５８３８７１５号において、ある損失決定要素が、光軸からの横方向の距離が増加するにつれてＶＣＳＥＬ空洞の光損失を漸次的に増加させており、その損失決定要素はレンズとして働く曲線部分である。さらに、環状金属層はモード依存性の損失をもたらし、また光アパーチャを規定する。
【００７６】
本発明の第１の態様によるレーザ装置において、ＬＡ領域およびＭＳ領域は好ましくは、通常複数の中間層によって、いずれも活性領域から分離されている。好ましくは、第１の態様の実施形態は、ＬＡ領域およびＭＳ領域をＶＣＳＥＬの上部の付近に有しており、そのＬＡ領域およびＭＳ領域は、１つまたは複数の４分の１波長のＤＢＲ層など、上部ミラーの一部分によって活性領域から分離されている。
【００７７】
第２の態様において、本発明は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の横電磁モードにおけるレーザ動作の効率を操作する方法であって、
活性領域と、第１および第２の少なくとも実質的に平行なミラーであって、活性領域を備えたレーザ空洞を形成するミラーと、光子寿命を長くする中心光アパーチャ（ＬＡ）領域とを備えたＶＣＳＥＬを設けるステップと、
モード整形（ＭＳ）領域をＬＡ領域の周りに形成して、ＬＡ領域をＭＳ領域に対する非導波路とすることによって、モードの横方向の輪郭に応じてモードに損失を生じさせるステップであって、ＭＳ領域は、光子寿命をＬＡ領域よりも短くするステップと、
ＭＳ領域の周りにモード閉じ込め（ＭＣ）領域を形成することによって、ＭＳ領域およびＬＡ領域へと横方向にモードを閉じ込めるステップとを含む方法を提供する。
【００７８】
本発明の利点として、放射の横成分が伝搬することができる領域（ＭＳ領域）および伝播することができない領域（ＭＣ領域）を設けることによって、モードにおけるレーザ動作が抑制または防止される。したがって、実質的にＭＳ領域および／またはＭＣ領域内に延びるモードにおいて、レーザ動作はほとんど存在しない。それ故に、本発明は、ＭＳ領域内に侵入するモードに対して大きな損失を生じさせることによって、多モードレージングを抑制し、一方で、ＭＣ領域は場のいかなる侵入をも許可しない。
【００７９】
他の観点から見ると、横モードはＭＣ領域によって寸法が制限されており、それによって、ＭＳ領域との横モードのオーバーラップがモード損失を決定する。基本モードは、高次モードよりも著しく幅が狭く、それ故に、横方向の高次モードのレージングと比較して、基本モードでのレージングが促進される。
【００８０】
ＭＳ領域は、ＭＳ領域と著しくオーバーラップするモードに対して損失を生じさせるのに役立つ。それ故に、空洞によって支援されるモードは、好ましくはＭＳ領域内へと延びる。このことは、ＬＡ領域をＭＳ領域に対する非導波路とすることによって、また、ＬＡ領域へのモードの横方向の閉じ込めを減少または最小化するようにＭＳ領域を設計することによって確実にすることができる。ＭＳ領域が周期的構造を有する場合、ＭＳ領域とＬＡ領域との境界において横方向の波長の反射が生じてはならない。一方で、ＬＡ領域からＭＳ領域へのモードの漏出を確実にしなければならない。
【００８１】
ＭＳおよびＭＣ領域を第１および／または第２のミラーに隣接して形成することは、利得領域と第１および／または第２のミラーとの間に配置されたスペーサ層内に、ＭＳおよびＭＣ領域を形成することによって実施することができる。スペーサ層は、利得領域とミラーのうちのただ１つとの間に配置することができる。別の方法として、１つのスペーサ層を利得領域と第１のミラーとの間に配置することができ、一方で、他のスペーサ層は、利得領域と第２のミラーとの間に配置される。別の方法として、２つ以上のスペーサ層（例えば、異なる材料から製造される）を利得領域と第１および／または第２のミラーとの間に配置することができ、また、スペーサ層の１つ以上を、例えば異なる材料の複数の層によって構成することもできる。
【００８２】
光アパーチャ領域は、構造内の少数の層において物理的にのみ規定することができるが、ミラーに垂直な方向に構造を通じて光アパーチャ領域が突出することによって、コアとも示される領域が規定される。
【００８３】
第１および／または第２のミラーの中に、または第１および／または第２のミラーに隣接してＭＳおよびＭＣ領域を配置することによって、ＭＳおよびＭＣ領域が利得領域全体にわたって延びないことが確実となる。好ましくは、ＭＳおよびＭＣ領域は、利得領域にまったく交差しないように配置される。このことは大いに有利となるが、それは、このことによって、十分な出力パワーをＶＣＳＥＬから供給するために全利得領域を利用することができるからである。好ましくは、ＬＡ領域およびＭＳ領域は、利得領域とは接触していないか、または利得領域に隣接する層内に形成される。
【００８４】
好ましい実施形態において、ＬＡ領域、ＭＳ領域およびＭＣ領域は、部分的な半導体ＤＢＲ上部ミラー内に形成される。別の方法として、ＬＡ領域、ＭＳ領域およびＭＣ領域は、誘電体上部ミラー層内に実装される。また、これらの任意の組合せ、例えば、ＭＳが誘電体上部ミラー内に規定され、ＭＳ領域が半導体ＤＢＲ下部ミラー内に規定されることなどが可能である。様々な領域および構造は、通常１つまたは複数の層の異なる部分を異なる深さにエッチングすることによって実装される。したがって、この処理は一般に垂直構造化と呼ばれる。エッチングされた層は再成長させることができる。
【００８５】
ＭＳ領域が未構築領域である場合、ＭＳ領域は通常、リングを含む平面内の隣接する材料と比較して発散する光学特性を有する材料のリングによって形成されている。この場合、リングの幅は、横方向の４分の１波長の偶数倍であるか、または、ベッセル関数によって示されるように、例えば０％〜５％もしくは０％〜１０％もしくは０％〜１５％もしくは０％〜２０％もしくは０％〜２５％もしくは０％〜３０％だけ増加または減少させた値の付近の範囲になければならない。同様に、リングの幅は、横方向の２分の１波長の奇数倍を０％から３０％増加または減少させたものであってもよい。ミクロ／ナノ構造化された領域のＭＳ領域は、通常ＬＡ領域に対するそのＭＳ領域の横方向の反射を最小化する構造によって形成されている。
【００８６】
ＭＣ領域は、例えば１次元の半径方向ＰＢＧ構造によって実装されてもよく、その場合、ＭＣ領域は、図５において領域５０４によって示すように、長い空洞共振波長と短い空洞共振波長が交互にならぶ複数のリングからなる。各リングの縦方向の空洞共振波長は、半径方向におけるＰＢＧ効果が確実となるように、大きい値と小さい値が交互に並んでいる。これらのリングは、縦方向反射率の高いＤＢＲミラー層の対による縦方向の閉じ込めと同様に、強い横方向の閉じ込めを生じる。別の方法として、ＭＣ領域は、１つまたは複数のリングからなっていてもよく、その場合、閉じ込め機構は弱くなることがあり、その結果、基本モードおよび高次モードがＭＣ領域内へ侵入する。次いで、ＭＣ領域におけるリングの幅は、好ましくは適切なベッセル関数に従って、横方向の４分の１波長
【数２８】
2008522388.tif 000030
【００８７】
の奇数倍を幅において０％〜１０％または０％〜１５％または０％〜２０％または０％〜３０％だけ増加または減少させた幅を有するように調整される。
【００８８】
別の方法として、ＭＣ領域の高度なトポロジー効果を、ＬＡおよびＭＳ領域への強い横モード閉じ込めを与える２次元または３次元ＰＢＧ構造によって実現することができる。２次元ＰＢＧ効果は例えば、ロッド間の中間領域と比較して、長いまたは短い空洞共振波長を有するロッドを周期的に配置することによって実現することができる（例えば図６の領域６０４を参照されたい）。２次元ＰＢＧ構造の周期的配置は、例えば、円形、長方形、三角形またはそれらの組合せの三重対角、ハニカムまたは正方形の格子構成であってもよい。
【００８９】
フォトニックバンドギャップ効果は、実験的にも理論的にも十分に実証されている。フォトニックバンド効果は、１次元、２次元、または３次元の周期的なミクロ／ナノ構造を形成することによって、材料の誘電率などの光学定数を１次元、２次元、または３次元で周期的に変化させることによるものである。ＶＣＳＥＬ上部（または下部）ミラーにおいて浅くエッチングすることによるミクロ／ナノ構造は、変化する屈折率（エアホールのエッチング）ならびに光子寿命の変化をもたらす。
【００９０】
ＭＳ領域は、あるリング形状の領域によって形成することができ、そのリング形状の領域は、反射率をより低くし、それによって光子寿命をより短くするエッチング深さを有している。好ましくは、横方向の閉じ込めを相殺するために、そのようなリングは、ベッセル関数によって定められるように、横方向の４分の１波長の偶数倍である幅を有している。別の方法として、ＭＳ領域がミクロ／ナノ構造化されている場合、その構造化は、ＬＡ領域に対するＭＳ領域の横方向の反射を最小にするように設計される。
【００９１】
好ましい実施形態において、ＭＣ領域は、放出光の偏光制御を促進するように形作られている。ここで、ＭＳ領域は、長軸および短軸に沿った楕円形リングの幅が横方向の４分の１波長の偶数倍または横方向の２分の１波長の奇数倍である楕円形リングであってもよく、ここでも、その幅は、適切なベッセル関数によって示されるように、０％から３０％だけ増加または減少させなければならないことがある。また、ＭＣ領域の場合、１次元ＰＢＧ構造は、長軸および短軸に対する楕円形リングの幅が横方向の４分の１波長の奇数倍を０％から３０％だけ増加または減少させたものである１つまたは複数の楕円形リングによって実装することができる。ＭＣおよび／またはＭＳ領域の任意の他の細長い形状を用いて、偏光制御をもたらすことができる。他の実施形態において、ＭＳおよび／またはＭＳ領域を形成するリングの形状は楕円形である必要はなく、長方形、卵形または他の非中心対称形など、他の細長い形状であってもよい。同様に、２次元ＰＢＧ構造の場合、ミクロ／ナノ構造化された領域の周期性または寸法は、偏光制御をもたらす非中心対称性を得るように、選択された領域において変更される。
【００９２】
ＶＣＳＥＬが電気的に駆動される場合、ＶＣＳＥＬは、利得領域を規定するための半導体材料の領域に電流を供給する電流供給手段をさらに備えることができる。別の方法として、ＶＣＳＥＬが光ポンピングされる場合、ＶＣＳＥＬは、利得領域を規定する領域に光ポンピングを供給する手段を備えることができる。いずれの場合も、利得領域は、第１および第２のミラーに少なくとも実質的に平行な第２の平面において、空洞の１つまたは複数の横電磁モードとの相当なオーバーラップを有することを特徴とすることができる。
【００９３】
したがって、電流閉じ込めと横モード制御を分離することにより、単一モード動作を有するなど、モード制御を有する一方で、より一層大きな利得領域が得られる。横モード制御はＭＣ領域およびＭＳ領域と光アパーチャによってもたらされるため、利得領域は、単一モード動作を劣化させることなく、複数の横モードにエネルギーに関して結合することができる。
【００９４】
電流閉じ込めが酸化アパーチャによって生じる場合、酸化層から生じる小さな有効導波路は、酸化境界をＭＳ領域またはＭＣ領域とオーバーラップさせることによって無効にすることができる。好ましくは、この場合、基本モードは利得領域との高いオーバーラップを有しているため、酸化境界はＭＳ領域内で横方向に配置されている。
【００９５】
通常、第１および第２の平行ミラーは分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であり、その分布ブラッグ反射器の１つは、突き当たる出力光の一部分が伝達されるようにすることによって、出力カプラを形成する。本発明によるモード制御は、ミクロ／ナノ構造（ＭＳ領域およびＭＣ領域）を出力結合ミラーに制限しない。光アパーチャは、モードの波ベクトルの横成分に対する許可領域を構成するので、依然として、光に対するアパーチャとして役立つ。
【００９６】
本発明によるＶＣＳＥＬの光アパーチャは、３回以上の対称性を有することができる。通常、光アパーチャは正多角形として形成されるが、これはモード制御に必須ではない。
【００９７】
本発明の利点として、横モード閉じ込めおよびモード安定性は、電流閉じ込め機構から部分的に切り離され、それによって高い利得の横方向領域が決まる。しかしながら、電流アパーチャは、基本モードとの最適化されたオーバーラップを有するように設計されなければならない。従来技術のＶＣＳＥＬにおける電流閉じ込めおよび光閉じ込めは、通常Ａｌ含有率の高いＡｌＧａＡｓ層を選択的に酸化させることによって達成される。酸化アパーチャは、酸化速度（典型的には１μｍ／ｍｉｎ）および酸化性雰囲気によって制御され、このことから、酸化アパーチャの再現性が非常に限定されることが説明される。さらに、酸化層はひずみを生じるので注意深く設計されなければならず、注意深く設計されなければ、酸化層はＶＣＳＥＬの信頼性の問題を生じることがある。したがって、光閉じ込めのアパーチャと電流閉じ込めのアパーチャとを分離することにより、デバイスの信頼性および再現性が向上する。
【００９８】
ＡＲＲＯＷ設計はＭＳ領域を有さないが、光アパーチャ領域とモード閉じ込め領域からなり、そのモード閉じ込め領域は、横方向の４分の１波長
【数２９】
2008522388.tif 000031
【００９９】
の奇数倍の幅を有する１つまたは２つのＡＲＲＯＷリングからなる。
【０１００】
本発明において、ＭＣ領域はモード閉じ込めを制御し、一方で、モード選択性は、主としてＭＳ領域によって、部分的にＭＣ領域によって制御される。ＭＳ領域における縦方向反射率（光子寿命）を制御できることにより、ＶＣＳＥＬ設計にさらなる設計パラメータが追加され、そのパラメータによって、光アパーチャ寸法を著しく増加させるために、ＶＣＳＥＬの設計空間および単一基本モード（動作有効期間）安定性が拡張される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１０１】
図４は、ミクロ／ナノ構造化された垂直共振器面発光レーザの上面図４００および断面図４２４を示す。上面図における電気接点領域４０２および断面図における領域４１０は、モード閉じ込め領域（ＭＣ領域）４０４と、モード整形領域（ＭＳ領域）４０６と、光アパーチャ領域（ＬＡ領域）４０８とを囲んでいる。また、ＬＡ領域、ＭＳ領域およびＭＣ領域は断面図４２４の斜線領域の層４１４によって示されている。しかしながら、異なる厚さおよび施されたミクロ／ナノ構造は、図４には示されていない。層４１４の下に、本発明者らは、部分的な半導体ＤＢＲ上部ミラーまたはスペーサ４１６を設けている。層４１４の上に、半導体ＤＢＲ上部ミラーまたは誘電体上部ミラー４１２を再成長させることによって、上部ミラーが完成されている。図４２４はまた、活性層４１８、ＤＢＲ下部ミラー層４２０および基板４２２を示す。
【０１０２】
ＭＳ領域（領域４０６）は、領域４０８および４０４の空洞共振波長と比較して、長い空洞共振波長を有している。ＭＳ領域は、空洞共振波長のより短い領域によって囲まれており、したがってリング形状の導波路構造である。したがって、ＭＳ領域に閉じ込められるモードの閉じ込め機構は、通常の光ファイバなどの従来のステップインデックス導波路におけるモード閉じ込め機構と類似している。しかしながら、ＭＳ領域では光子寿命が短く（ミラー反射率が低い）、最も重要なことには、ＭＳ領域の幅は非常に狭い、したがってＭＳ領域に閉じ込められた横モードは高い回折損失を有するため、ＭＳ領域に閉じ込められた横モードがレージングしきい値に達することはない。
【０１０３】
ＭＳ領域の幅は、横方向の４分の１波長の偶数倍でなければならない。通常、ＭＳ領域の幅は、単一の横方向の２分の１波長または単に横方向の１波長であるが、これは、この場合に回折損失が依然として支配的となるからである。回折損失はもはや、第２の領域が広すぎるときに、第２の領域に閉じ込められたモードのレージングを妨げることはなく、その代わりに、ＭＳ領域の縦方向の光子寿命を非常に短くして、ＭＳ領域に閉じ込められた横モードのレージングを妨げるようにしなければならない。したがって、非常に広い（横方向の２分の１波長の数倍）ＭＳ領域を有するＶＣＳＥＬは、通常非導波ＶＣＳＥＬのような特徴を有している。
【０１０４】
ＭＣ領域（領域４０４）は、空洞共振波長において高度なトポロジー効果を有するミクロ／ナノ構造化された領域であり、好ましい場合、すべての空洞共振波長は、光アパーチャ領域（領域４０８）の空洞共振波長よりも長いか、または光アパーチャ領域の空洞共振波長に少なくとも等しい。ＭＣ領域では、モード閉じ込めはフォトニックバンドギャップ効果に基づいており、ＭＣ領域内に深く侵入するモードは禁止されるため、ＭＣ領域は強い横モード閉じ込めをもたらす。
【０１０５】
本発明で考えられるＶＣＳＥＬの例が図５に示されており、モード閉じ込めは１次元ＰＢＧ構造領域５０４（ＭＣ領域）によって実施されている。斜線領域は、光アパーチャ５０８と比較して空洞共振波長の増加した領域に対応している。同心リングは、ブラッグミラーの１次元バンドギャップと類似した半径方向のバンドギャップをもたらす。したがって、同心リングはＭＳ領域５０６および光アパーチャ領域５０８への横モード閉じ込めを確実にする。
【０１０６】
図５は、本発明によるＶＣＳＥＬの上面図５００および断面図５２４の概略を示し、ここで、モード閉じ込めは１次元ＰＢＧ構造によって実施される。横方向のミクロ／ナノ構造は、ＬＡ領域５０８と、ＭＳ領域５０６と、ＰＢＧ領域５０４とからなる。空洞共振波長は、異なる影付きの領域によって表されている。領域５０８は最短の空洞共振波長を有しており、ＭＳ領域（領域５０６）は長い空洞共振波長を有している。ＭＣ領域（領域５０４）は、短い空洞共振波長および長い空洞共振波長を有する交互に並ぶリング（領域５０５および５０７）からなる。領域５０４の短い空洞共振波長は、領域５０８の空洞共振波長よりも長いか、領域５０８の空洞共振波長と少なくとも等しくなければならず、一方で、領域５０４の長い空洞共振波長は、領域５０８の空洞共振波長よりも短くても、領域５０８の空洞共振波長と等しくてもよい。
【０１０７】
ＶＣＳＥＬの断面図５２４は、ＬＡアパーチャ、ＭＳ領域およびＭＣ領域が、浅いエッチングまたは材料の付着によって、ＶＣＳＥＬの上部ミラーの領域５１４にどのようにして実装されているかを示す。ＶＣＳＥＬ  ＤＢＲ上部ミラーは、半導体上部ミラーの再成長または誘電体上部ミラー５１２の付着によって完成されている。ミクロ構造化された領域の下に、本発明者らは、スペーサまたは部分的な半導体上部ミラー領域５１６を設けている。さらに、断面図５２４は、活性層５１８、下部ＤＢＲミラー５２０および基板５２２を示す。電気接点は、領域５０２および５１６によって示されている。
【０１０８】
図６は、本発明によるＶＣＳＥＬの上面図６００および断面図６３０の例を示し、この例において、モード閉じ込めは２次元ＰＢＧ構造によって実施される。横方向のミクロ／ナノ構造は、ＬＡ領域６０８と、ＭＳ領域６０６と、ＭＣ領域６０４とからなる。ＭＳ領域６０６は、ミクロ構造化された領域の図示の例に存在し、その例において、バックグラウンドは長い空洞共振波長を有し、一方で、小さいホール６１４はより短い空洞共振波長を有するが、そのホール６１４の空洞共振波長は依然として、ＬＡ領域６０８の空洞共振波長よりも長いか、またはＬＡ領域６０８の空洞共振波長と少なくとも等しい。ＭＣ領域６０４は、長い空洞共振波長を有するロッド６１２の三重対角格子構成からなる。ロッド間（領域６０４のバックグラウンド）における空洞共振波長は、ＬＡ領域６０８の空洞共振波長よりも長いか、ＬＡ領域６０８の空洞共振波長と等しい。
【０１０９】
切断線６１０におけるＶＣＳＥＬの断面図６３０は、ＬＡアパーチャ、ＭＳ領域およびＭＣ領域が、浅いエッチングまたは材料の付着によって、ＶＣＳＥＬの上部ミラーの領域６２０内にどのようにして実装されているかを示す。空洞共振波長はエッチング深さ（付着した材料の厚さ）に依存する。したがって、領域６２０における異なる厚さは異なる空洞共振波長に、また異なる空洞格子寿命にも対応する。ＶＣＳＥＬ  ＤＢＲ上部ミラーは、半導体上部ミラーの再成長または誘電体上部ミラー６１８の付着によって完成されている。ミクロ構造化された領域の下に、本発明者らは、スペーサまたは部分的な半導体上部ミラー領域６２２を設けている。さらに、断面図６３０は、活性層６２４、下部ＤＢＲミラー６２６および基板６２８を示す。電気接点は、領域６０２および６１６によって示されている。
【０１１０】
２次元ＰＢＧ構造は、ホール６１２の三重対角構成によって表されている。また、モード閉じ込めは、ハニカム構造または２次元ＰＢＧをもたらす他の任意の周期的構造によって実施することもできる。
【０１１１】
図７は、半導体の部分的なＤＢＲミラーにおける、計算された空洞共振波長λ（７０２、７０４、７０６）および計算された光子寿命Ｔ（７０８、７１０、７１２）を、エッチング深さＤの関数として示したものである。部分的なＤＢＲ半導体上部ミラーのエッチング後に誘電体ＤＢＲ上部ミラーが付着された場合に対して、空洞共振波長および光子寿命がプロットされている。異なる曲線はそれぞれ、５周期および４周期（７０２、７０８）、８周期および３周期（７０４、７１０）、ならびに１１周期および２周期（７０６、７１２）の半導体および誘電体の上部ミラー対の場合のものである。浅いエッチングによる最大空洞共振波長のシフトは、半導体の上部ミラーにおける数周期にわたって、すなわちエッチングが活性領域に近接して実施されるときに観測され、一方で、ＤＢＲ半導体上部ミラー層の数が減るため、最大光子寿命の変化は小さくなる。エッチング後のＤＢＲ上部ミラーの付着は、半導体ＤＢＲミラーの再成長によって、または誘電体ＤＢＲ上部ミラーの付着によって行うことができる。誘電体ＤＢＲ上部ミラーは、例えばＳｉＯ２／ＴｉＯ２、ＣａＦ２／ＺｎＳｅ、ＭｇＦ２／ＺｎＳｅの交互層を用いることによって作ることができる。
【０１１２】
図８Ａは、１次元ＰＢＧ構造（領域８０６）を有するＶＣＳＥＬ８００の例を示し、このＶＣＳＥＬ８００は、図５の１次元ＰＢＧ構造を概略的に示した上面図と同様に、光アパーチャ８０２と、モード整形領域８０４と、ＭＣ領域８０６とからなる。ＶＣＳＥＬ構造は、基本モード（図８Ｂ）と１次モード（図８Ｃ）の双方を支援する。基本モードはＬＡ領域に適切に局所化されており、一方で、１次モードはＭＳ領域およびＭＣ領域内に漏出している。
【０１１３】
基本モードは、光アパーチャ領域８０２と非常に良好にオーバーラップしており、一方で、ＰＢＧ効果（ＭＣ領域８０６）によって閉じ込められた１次モードは、ＭＳ領域８０４と比較的大きくオーバーラップしており、また実際にＭＣ領域８０６内にわずかに侵入している。したがって、１次モードおよびさらに高次のモードはＭＳ領域８０４の縦方向の光子寿命が短くまた回折損失が高いため、レージングしきい値に達することはない。基本モードでは常に、基本モードの形状の結果として、より高次の横モードと比較してＭＳ領域とのオーバーラップが小さく、回折損失が著しく小さい。
【０１１４】
従来技術の解決策と比較した本発明の利点は、モード閉じ込め機構とモード選択機構が分離されることである。ＭＳ領域との様々なモードのオーバーラップは、ＭＣ領域とＭＳ領域の幅とによって制御可能である。したがって、ＬＡアパーチャは適切な単一基本モードＶＣＳＥＬ設計に対して、８μｍから１６μｍのアパーチャ直径に増加させることができる。単一モード特性は、主として、大きなアパーチャ寸法に対する不均質な電流注入によって制限される。電流注入の輪郭は、通常大きい電流アパーチャ寸法に対してはドーナツ形状の横方向輪郭を有し、それによって、光アパーチャ寸法を２０μｍを超えて増加させるときに単一基本モード動作が妨げられる。本発明の設計によりもたらされる分離により、ＶＣＳＥＬの電流注入輪郭の均質性は、より大きいＬＡアパーチャに対して単一基本モードＶＣＳＥＬ動作が可能となるように改善することができる。
【０１１５】
例えば横方向の電流閉じ込めのための酸化アパーチャによって規定される横方向の利得領域は、通常光アパーチャ領域よりも広い。ＶＣＳＥＬの高出力な単一基本横モード動作には、横方向の利得分布と横方向に大きくオーバーラップすることが必要である。酸化アパーチャは、通常ＭＳ領域またはＭＣ領域とオーバーラップしている。材料利得との良好な基本モードオーバーラップは、比較的大きい基本モードを必要とする。この比較的大きい基本モードはＭＳ領域によって維持され、このことは、光アパーチャ領域への横モード閉じ込めには寄与しない。基本モード寸法を制御する他の方法は、ＭＣ領域の横モード閉じ込め強度を調整することである。この調整は、例えば１次元ＰＢＧリング構造において、ＭＣ領域での短い／長い空洞共振波長領域の横方向リング幅を５％、１０％、２０％または３０％に増加させることによって実施することができる。この場合、リング幅は意図した横方向の４分の１波長よりもわずかに広い。第３の可能性は、ＭＳ領域を５％または１０％減少させることであり、このこともまた、基本モードをわずかに広くする傾向を有する。
【０１１６】
先に述べたように、基本モードのみが十分に閉じ込められ、一方で、より高次の横モードは非常に弱く拘束され、ＭＳ領域さらにまたＭＣ領域内にも比較的深く侵入することができ、このことによって、提案するＶＣＳＥＬの横モード選択性がさらに改善するように、ＭＣ領域を設計することができる。単一モード動作に対するＭＣ領域の最適化は、ＤＢＲブラッグミラーと比較することによって最良に理解される。ＤＢＲミラーの高反射率ウィンドウは、ＤＢＲミラー内の層の厚さを増加させたり、減少させたりすることによってシフトさせることができる。同じことがＭＣ領域（１次元ＰＢＧ）に当てはまる。基本モードは、「高反射率」ウィンドウの境界に近接して配置されなければならない。基本モードはこの場合、１次元ＰＢＧ領域によって依然として十分に閉じ込められるが、一方で、高次モードは十分に閉じ込められず、図８に示すようにＭＣ領域内に相当に侵入する。
【０１１７】
ＭＣ領域内のリング幅を調整すること（ＰＢＧ強度の調整）は、印加電流が増加する際にデバイスが過熱することによって生じる熱レンズを補正するための効率的な方法にもなることがシミュレーションにおいて判明している。リング幅は、電流が増加した結果デバイス温度が上昇するときに、空洞共振波長のシフトの半径方向依存性を事前に補正するように調整される。
【０１１８】
ＰＢＧ効果自体は、出願ＷＯ０２／０７３７５３において主張されているように、ＶＣＳＥＬにおける偏光制御のための非常に効率的な方法である。偏光選択性を本発明と組み合わせることができる。偏光制御の原理は、非円形の光アパーチャ領域（正方形、楕円形など）または非対称の電流注入を有することにより、回折損失に基づいた方法によってこれまでは実施されてきた。これらの方法は、小さい光アパーチャ領域に対しては有効であるが、大きい光アパーチャのＶＣＳＥＬに対しては好適ではない。他の手法では、単一偏光ＶＣＳＥＬをもたらす高度な複屈折性の材料がＶＣＳＥＬ成長に用いられてきた。また、単一偏光ＶＣＳＥＬは、量子ドットを活性利得材料として使用することによって製作することもできる。通常、量子ドットの形状は、一方向に細長く形成され、それは２つの直交偏光状態に対する異方性の利得と、ＶＣＳＥＬの単一偏光動作との結果もたらされる。ここで、本発明者らは、偏光制御のためにＰＧＢ効果を使用することによって、本発明によるＶＣＳＥＬにおいて偏光制御を実施する他の方法を提案する。
【０１１９】
偏光制御は、ミクロ／ナノ構造化されたＭＣ領域の特定の領域における変動（ＰＢＧ構造の修正）によって実施される。局所的な変動は、ＰＢＧ構造の対称性と、ＰＢＧ閉じ込めの対称性を乱し、それによって２つの直交偏光モードの縮退度が上昇する。図６に示すような２次元のＭＣ領域の場合、ＭＣ領域内の長い／短い空洞共振波長領域のロッド／ホール（図６の領域６０４）の三重格子構成は、６０度の回転対称性を有しており、結果として、２つの直交偏光状態のモード縮退度の上昇をもたらす。モード縮退度の上昇は、特定の領域でロッド／ホール構成のピッチ（周期性）を変更することによって、ならびに／または、構造の特定の領域／方向でロッド／ホール（図６の領域６０４）の形状および／もしくは面積を変更することによって向上させることができる。
【０１２０】
ＭＣ領域の横モード閉じ込めは横モードの偏光状態に依存しており、このことによって、ＰＢＧ効果がＶＣＳＥＬにおいて偏光制御を実施するための効率的な方法となることが説明される。その原理は基本的にはＶＣＳＥＬのものと類似しており、偏光制御は例えば楕円形の面の起伏を有することによる回折損失から生じる。本発明において、モード選択性は、２つの直交偏光に対してわずかに異なる横モード閉じ込めを有することによって達成される。ＭＳ領域での横モードのオーバーラップはこの場合偏光に依存し、偏光選択性は、これらのモードが経験する異なる損失（ＭＳ領域において光子寿命が短いこと）から生じる。
【０１２１】
単一モード偏光デバイスの設計は、２次元ＰＢＧミクロ／ナノ構造に限定されない。偏光選択性は、例えばＭＣ領域（図５の領域５０４）において楕円形状のリングを使用することによって、図５に示す１次元設計で実現することができる。ＭＣ領域における個々の楕円リングの幅は、依然として、横方向の４分の１波長の偶数倍に近い。しかしながら、楕円の短軸および長軸の方向におけるリングの幅は、通常横方向の４分の１波長の０〜３０％加算または減算して修正される。通常、楕円の長軸および短軸におけるリング幅の変化は、偏光分解能を良好にするためには、±０％〜１０％または±０％〜２０％である。
【０１２２】
モード選択機構を決定するのは直交偏光のためのモード閉じ込め機構であるため、ＬＡ領域およびＭＳ領域の形状（円形、楕円形、正方形など）は重要ではない。しかしながら、ＰＢＧ効果に基づく単一偏光モードＶＣＳＥＬ設計は、偏光安定性を向上させるために、偏光制御のための他の方法と組み合わせることができる。
【０１２３】
図９は、ＬＡ領域の直径が８μｍの垂直共振器面発光レーザの実測光−電流曲線（ＬＩ曲線）および異なる電流値に対する実測スペクトルの例を示す。ＭＳ領域およびＭＣ領域は、本発明に従って設計されている。グラフ９００は、総光出力パワーをプロットしたものである。グラフ９０２および９０４は、２つの直交偏光に対する偏光分離出力パワーである。偏光曲線は、望ましくない付加的な光損失を生じている。光学スペクトルが、異なる電流値に対して示されており、９０６は４ｍＡ、９０８は６ｍＡ、９１０は８ｍＡ、９１２は１０ｍＡ、９１４は１２ｍＡおよび９１６は１４ｍＡに対するものである。光学スペクトルは、２５ｄＢを超えるサイドモード抑制率（ＳＭＳＲ）でＶＣＳＥＬの良好な単一モード動作を示している。最小のＳＭＳＲは、信号のノイズレベルに埋もれているため、決定することはできない。本発明者らは単一偏光状態に対してＶＣＳＥＬを最適化していないが、ＶＣＳＥＬは単一偏光状態で動作している。スペクトルは、ＭＳおよびＭＣ領域によって生じる優れた横モード制御を示している。酸化アパーチャは１０μｍ〜１１μｍの直径を有し、したがってＬＡアパーチャよりも著しく大きいものであった。酸化アパーチャから横モード閉じ込めを生じた基準ＶＣＳＥＬは、複数の高次モードのレージングを示した。同様に、直径８μｍの非導波ＶＣＳＥＬもまた、高次モードのレージングを示した。どちらの基準構造も、本発明によるＶＣＳＥＬと同じダイ上にあったものである。さらに、どちらの直交偏光状態も、これらの基準ＶＣＳＥＬにおいてレージングした。
【０１２４】
図１０は、垂直共振器面発光レーザの近接場（上の行）および遠方場（下の行）の実測例を示し、これらの実測例のＬＩ曲線およびスペクトルは図９にプロットされている。単一基本モード動作は、実測近接場と遠方場の双方のすべての電流値に対して観測される。さらに、遠方場の半値全幅（ＦＷＨＭ）発散角度はわずか７度であり、この角度は、ＬＡ領域が８μｍのＶＣＳＥＬに予想されるものである。遠方場の測定により、本発明によるＶＣＳＥＬの基本モードレージングが確認される。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】図１は、従来技術による標準的な垂直共振器面発光レーザの概略図である。
【図２】図２は、従来技術による垂直共振器面発光レーザの概略図であり、ミクロ／ナノ構造が、完全な（標準的な）ＶＣＳＥＬ  ＤＢＲ上部ミラーに実装されている。
【図３】図３は、従来技術による垂直共振器面発光レーザの概略図であり、ミクロ／ナノ構造が、ＶＣＳＥＬ  ＤＢＲ上部ミラーに埋め込まれている。
【図４】図４は、本発明によるＶＣＳＥＬの上面図領域４００および断面図領域４２４の概略図であり、光アパーチャ領域（ＬＡ領域）４０８、モード整形領域（ＭＳ領域）４０６、およびモード閉じ込め領域（ＭＣ領域）４０４を示す。
【図５】図５は、本発明によるＶＣＳＥＬの考えられる上面図領域５００および断面図領域５２４の一例であり、１次元ＰＢＧ構造（半径方向の閉じ込め）５０４およびリング形状のＭＳ領域５０６が、単一基本モードＶＣＳＥＬの設計に用いられている。
【図６】図６は、本発明によるＶＣＳＥＬの考えられる上面図領域６００および断面図領域６３０の例であり、２次元ＰＢＧ構造６０４が横モード閉じ込めに使用されている。
【図７Ａ】図７Ａは、ミクロ／ナノ構造をＶＣＳＥＬ  ＤＢＲ上部ミラー内に埋め込んだときの計算した空洞共振波長および光子寿命を示す。
【図７Ｂ】７Ｂは、ミクロ／ナノ構造をＶＣＳＥＬ  ＤＢＲ上部ミラー内に埋め込んだときの計算した空洞共振波長および光子寿命を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、垂直共振器面発光レーザの考えられる上面図の例であり、１次元ＰＢＧ構造８０６（半径方向の閉じ込め）およびリング形状のＭＳ領域８０４が横モードを規定する。
【図８Ｂ】図８Ｂは、それぞれ基本モードおよび１次モードを示している。
【図８Ｃ】図８Ｃは、それぞれ基本モードおよび１次モードを示している。
【図９】図９は、単一モード動作を確実にするために、直径８μｍのＬＡ領域と、ＭＳ領域と、ＰＢＧ領域とを有する単一モード垂直共振器面発光レーザの電流の関数とした光学出力パワーおよび光学スペクトルを示す。
【図１０】図１０は、図９において測定された同じデバイスに対して異なる電流で測定された一連の近接場（最初の列および第３の列）および遠方場（第２の列および最後の列）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７Ａ】
2008522388.tif 000038
【図７Ｂ】
2008522388.tif 000039
【図８Ａ】
2008522388.tif 000040
【図８Ｂ】
2008522388.tif 000041
【図８Ｃ】
2008522388.tif 000042
【図９Ａ】
2008522388.tif 000043
【図９Ｂ】
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【図１０】
2008522388.tif 000045
【手続補正書】
【提出日】平成19年3月27日(2007.3.27)
【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】
多層構造を含む垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であって、その多層構造は１つまたは複数の層で規定された異なる領域を備え、前記異なる領域間の関係は、前記層に垂直な方向に沿った突出部において決定され、前記ＶＣＳＥＬは、
光を生成し、その生成した光を放出するための活性領域を有する半導体材料層と、
第１および第２の少なくとも実質的に平行なミラーであって、前記活性領域を備えたレーザ空洞を形成し、前記レーザ空洞および前記活性領域は、前記生成した光に対し、少なくとも１つの縦方向の電磁モードを支援するミラーと、
光子寿命を長くして前記活性領域とオーバーラップする中心光アパーチャ（ＬＡ）領域と、
前記第１および／または前記第２のミラーの中に形成されるか、または前記第１および／または前記第２のミラーに隣接して形成され、かつ前記ＬＡ領域を囲み、光子寿命を前記ＬＡ領域よりも短くするモード整形領域（ＭＳ）と、
前記第１および／または前記第２のミラーの中に形成されるか、または前記第１および／または前記第２のミラーに隣接して形成され、かつ前記ＭＳ領域を囲み、前記ＭＳ領域および前記ＬＡ領域にモードの横方向閉じ込めを提供するように設計されたモード閉じ込め領域（ＭＣ）とを備え、
前記ＬＡ領域、前記ＭＳ領域および前記ＭＣ領域の寸法は、前記空洞の各横電磁モードにおいてレーザ動作の効率を操作するように選択され、前記ＬＡ領域は前記ＭＳ領域に対する非導波路であり、前記ＭＳ領域は、前記ＬＡ領域へのモードの横方向の閉じ込めを減少または最小化するように設計されている垂直共振器面発光レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域および前記ＭＳ領域は、前記活性領域と接触して形成されていないＶＣＳＥＬ。
【請求項３】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域および前記ＭＳ領域は、前記活性領域に隣接する層内に形成されていないＶＣＳＥＬ。
【請求項４】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＳ領域は、縦方向空洞共振波長を前記ＬＡ領域の縦方向空洞共振波長よりも長くする垂直構造に形成されているＶＣＳＥＬ。
【請求項５】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＳ領域の構造は、前記ＭＳ領域と前記ＬＡ領域との境界において横方向の波長の反射をもたらすことのない周期性を有しているＶＣＳＥＬ。
【請求項６】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記方向における前記ＭＳ領域および前記ＭＣ領域の寸法は、前記方向におけるＶＣＳＥＬの全体寸法よりも相当に小さいＶＣＳＥＬ。
【請求項７】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域および前記ＭＳ領域に注入電流を閉じ込める手段をさらに備え、前記注入電流を閉じ込める手段は、前記ＭＳ領域を囲む前記多層構造の領域におけるプロトン打ち込みを含んでいるＶＣＳＥＬ。
【請求項８】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域および前記ＭＳ領域に注入電流を閉じ込める手段をさらに備え、前記注入電流を閉じ込める手段は、前記ＬＡ領域を囲む前記多層構造の単一または複数の層の選択的酸化を含んでいるＶＣＳＥＬ。
【請求項９】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＣ領域は１次元ＰＢＧ構造を備えているＶＣＳＥＬ。
【請求項１０】
請求項１に記載の半導体レーザであって、前記ＭＣ領域は、１つまたは複数の垂直方向に構造化されたリングからなり、そのリングは、横方向の４分の１波長の奇数倍を０％〜５％または０％〜１０％または０％〜１５％または０％〜２０％または０％〜２５％または０％〜３０％だけ増加または減少させた幅を有する半導体レーザ。
【請求項１１】
請求項１に記載の半導体レーザであって、前記ＭＣ領域は、楕円形、長方形または非対称の垂直方向に構造化されたリングからなり、そのリングは、横方向の４分の１波長の奇数倍を０％から３０％だけ増加または減少させた幅を有する半導体レーザ。
【請求項１２】
請求項１に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＣ領域は２次元ＰＢＧ構造を備えているＶＣＳＥＬ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のＶＣＳＥＬであって、前記２次元ＰＢＧ構造の周期性または寸法は、偏光制御を得るように、選択された領域において修正されるＶＣＳＥＬ。
【請求項１４】
多層構造を含む垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であって、その多層構造は１つまたは複数の層で規定された異なる領域を備え、前記異なる領域間の関係は、前記層に垂直な方向に沿った突出部において決定され、前記ＶＣＳＥＬは、
光を生成し、その生成した光を放出するための活性領域を有する半導体材料層と、
第１および第２の少なくとも実質的に平行なミラーであって、前記活性領域を備えたレーザ空洞を形成し、前記レーザ空洞および前記活性領域は、前記生成した光に対し、少なくとも１つの縦方向電磁モードを支援するミラーと、
光子寿命を長くして前記活性領域とオーバーラップする中心光アパーチャ（ＬＡ）領域と、
前記第１および／または前記第２のミラーの中に形成されるか、または前記第１および／または前記第２のミラーに隣接して形成され、かつ前記ＬＡ領域を囲み、光子寿命を前記ＬＡ領域よりも短くするモード整形領域（ＭＳ）と、
前記第１および／または前記第２のミラーの中に形成されるか、または前記第１および／または前記第２のミラーに隣接して形成され、かつ前記ＭＳ領域を囲み、前記ＭＳ領域および前記ＬＡ領域にモードの横方向閉じ込めを提供するように設計されたモード閉じ込め領域（ＭＣ）とを備え、
前記ＬＡ領域、前記ＭＳ領域および前記ＭＣ領域の寸法は、前記空洞の各横電磁モードにおいてレーザ動作の効率を操作するように選択され、前記ＭＳ領域は、垂直方向に構造化されたリングまたはドーピングされたリングからなり、そのリングは、横方向の４分の１波長の偶数倍を０％〜５％または０％〜１０％または０％〜１５％または０％〜２０％または０％〜２５％または０％〜３０％だけ増加または減少させた幅を有するＶＣＳＥＬ。
【請求項１５】
請求項１または１４に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＭＳ領域は、前記ＬＡ領域に対する前記ＭＳ領域の横方向の反射を最小化するミクロ／ナノ構造化された領域であるＶＣＳＥＬ。
【請求項１６】
請求項１または１４に記載の半導体レーザであって、前記ＭＳ領域は、楕円形、長方形または非対称の垂直方向に構造化されたリングからなり、そのリングは、横方向の２分の１波長の奇数倍を０％から３０％だけ増加または減少させた幅を有する半導体レーザ。
【請求項１７】
請求項１または１４に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域、前記ＭＳ領域および前記ＭＣ領域は、部分的な半導体ＤＢＲ上部ミラー内に実装されているＶＣＳＥＬ。
【請求項１８】
請求項１または１４に記載のＶＣＳＥＬであって、前記ＬＡ領域、前記ＭＳ領域および前記ＭＣ領域は、誘電体上部ミラー層内に実装されているＶＣＳＥＬ。
【請求項１９】
多層構造を含む垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であって、その多層構造は１つまたは複数の層において規定された異なる領域を備え、前記異なる領域間の関係は、前記層に垂直な方向に沿った突出部において決定され、前記ＶＣＳＥＬは、
活性領域と、
第１および第２の少なくとも実質的に平行なミラーであって、前記活性領域を備えたレーザ空洞を形成するミラーと、
光子寿命を長くする光アパーチャ（ＬＡ）領域と、
前記第１および／または第２のミラーに隣接して形成されるか、または前記第１および／または第２のミラーの中に形成され、前記ＬＡ領域へ横方向にモードを閉じ込めるように設計されたモード閉じ込め（ＭＣ）領域とを備え、
モード整形（ＭＳ）領域が前記ＬＡ領域と前記ＭＣ領域との間に形成され、前記ＭＳ領域は、前記第１および／または第２のミラーに隣接して形成されるか、または前記第１および／または第２のミラーの中に形成され、光子寿命を前記ＬＡ領域よりも短くし、
前記ＬＡ領域は前記ＭＳ領域に対する非導波路であり、前記ＭＳ領域は前記ＬＡ領域へのモードの横方向の閉じ込めを減少または最小化するように設計され、および／または
前記ＭＳ領域は、縦方向空洞共振波長を前記ＬＡ領域の縦方向空洞共振波長よりも長くする垂直方向の構造化によって形成され、および／または
ＭＳ領域の構造は、前記ＭＳ領域と前記ＬＡ領域との境界において横方向の波長の反射をもたらすことのない周期性を有する垂直共振器面発光レーザ。
【請求項２０】
垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の横電磁モードにおけるレーザ動作の効率を操作する方法であって、
活性領域と、第１および第２の少なくとも実質的に平行なミラーであって、前記活性領域を備えるレーザ空洞を形成するミラーと、光子寿命を長くする中心光アパーチャ（ＬＡ）領域とを備えたＶＣＳＥＬを設けるステップと、
モード整形（ＭＳ）領域を前記ＬＡ領域の周りに形成して、前記ＬＡ領域を前記ＭＳ領域に対する非導波路とすることによって、モードの横方向の輪郭に応じてモードに損失を生じさせるステップであって、前記ＭＳ領域は、前記ＬＡ領域よりも光子寿命を短くするステップと、
前記ＭＳ領域の周りにモード閉じ込め（ＭＣ）領域を形成することによって、前記ＭＳ領域および前記ＬＡ領域へと横方向にモードを閉じ込めるステップとを含む方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法であって、前記ＭＳ領域を形成するステップは、前記ＬＡ領域から前記ＭＳ領域へのモードの漏出を確実にするステップを含む方法。
【国際調査報告】
2008522388.tif 000046
2008522388.tif 000047
2008522388.tif 000048