(57)【要約】放射線をコリメートするための装置は、サブ波長次元の開口と、放射線を放出する能動または受動デバイスと統合された金属膜上に規定される、隣接する一組の溝とを含むことができる。レーザまたは他の放射線放出デバイスのファセット上へのビームコリメータの統合は、ビームのコリメーションおよび偏光選択を提供する。ビーム発散は、従来のレーザの出力と比較して２桁以上低減することができる。開口−溝構造を伴う能動ビームコリメータは、半導体レーザ（例えば、量子カスケードレーザ）、発光ダイオード、光ファイバ、およびファイバレーザ等の、広範囲の光学デバイスと統合することができる。
2011503664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コリメートされた放射線を発生させるための装置であって、
誘電体材料のファセットを含む放射線放出デバイスであって、該放射線放出デバイスは、放射線放出のための通路を規定する、放射線放出デバイスと、
該誘電体材料上に被覆される金属膜であって、該金属膜は、少なくとも１つの開口と、該開口から漸増的に離間された一連の溝とを規定し、該少なくとも１つの開口を通って、該通路から放出される放射線が通過することができ、該少なくとも１つの開口において、表面プラズモンを発生させることができる、金属膜と
を備え、該開口と該最も近い溝との間の距離は、連続的に離間した複数の溝の間の距離とは異なり、該複数の溝は、該開口からの直接放出および該溝からの放射線再放出が、強めあう干渉をして、コリメートされた放射線を遠視野で生成するように、表面プラズモンを散乱させて放射線再放出を生成するように構成されている、装置。
【請求項２】
前記複数の溝は、それぞれ連続的に離間した溝の間の距離が、先行する連続的に離間した溝の間の距離よりも大きくなるように、前記開口から離間している、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記一連の溝は、前記開口の片側に提供され、少なくとも１つの溝は、該開口の反対側に提供され、該開口の該反対側には、より少ない数の溝が提供される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記金属膜は、誘電体基板内の溝上に被覆され、該誘電体基板は、該金属膜内で前記溝の外形を提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記金属膜は、前記金属膜を通る電磁放射線の透過を防止するように、少なくとも皮膚深度と同程度の厚さを有する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記開口は、前記金属膜を通るまっすぐでない経路に沿って延在する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記開口は、実質的に一貫した幅を有し、前記金属膜を通って曲折を伴う経路を横断する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記開口は、Ｃ字形、Ｈ字形、および螺旋形から選択される形状を有する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記溝は、前記誘電体材料から離れるように面する前記金属膜の表面上にある、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記放射線放出デバイスは、半導体レーザ、発光ダイオード、光ファイバ、ファイバ増幅器、およびファイバレーザから選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
コリメートされた放射線を発生させるための装置であって、
誘電体材料のファセットを含む放射線放出デバイスであって、該放射線放出デバイスは、放射線放出のための通路を規定する、放射線放出デバイスと、
該誘電体材料上に被覆される金属膜であって、該金属膜は、少なくとも１つの開口と、一連の溝とを規定し、該少なくとも１つの開口を通って、該通路から放出される放射線が通過することができ、該少なくとも１つの開口において、表面プラズモンを発生させることができる、金属膜と
を備え、該開口は、実質的に一貫した幅を有し、該金属膜を通って曲折を伴う経路を横断し、該溝は、該開口において発生させられる表面プラズモンを散乱させて、放射線再放出を生成するように構成され、該開口からの直接放出および該溝からの該放射線再放出は、強めあう干渉をして、コリメートされた放射線を遠視野で生成する、装置。
【請求項１２】
コリメートされた放射線を発生させるための装置であって、
誘電体材料のファセットを含む放射線放出デバイスであって、該放射線放出デバイスは、放射線放出のための通路を規定する、放射線放出デバイスと、
該誘電体材料上に被覆される金属膜であって、該金属膜は、少なくとも１つの開口と、該開口の片側にある一連の溝と、該開口のもう一方の側にあるより少ない数の溝とを規定し、該少なくとも１つの開口を通って該通路から放出される放射線が通過することができ、該少なくとも１つの開口において、表面プラズモンをそこで発生させることができる、金属膜と
を備え、該一連の溝は、該開口において発生させられる表面プラズモンを散乱させて、放射線再放出を生成するように構成され、該開口からの直接放出および該一連の溝からの該放射線再放出は、強めあう干渉をして、コリメートされた放射線を遠視野で生成する、装置。
【請求項１３】
コリメートされた放射線を発生させるための装置であって、
第１の誘電体材料のファセットを含む放射線放出デバイスであって、該放射線放出デバイスは、放射線放出のための通路を規定する、放射線放出デバイスと、
該第１の誘電体材料上に被覆される第１の金属膜であって、該第１の金属膜は、少なくとも１つの開口を規定し、該少なくとも１つの開口を通って該通路から放出される放射線が通過することができる、第１の金属膜と、
該第１の誘電体材料から該第１の金属膜の反対側にある該第１の金属膜上に被覆される透明誘電体層であって、該放出された放射線は、該第１の金属膜内の該開口から該透明誘電体層を通過することができる、透明誘電体層と、
開口の１次元格子または２次元開口アレイを規定する第２の金属層であって、該開口を通って、該放出された放射線が該透明誘電体層から通過することができ、該開口は、強めあう干渉をしてコリメートされた放射線を遠視野で生成する、複数の放射線放出を可能にするように離間している、第２の金属層と
を備えている、装置。
【請求項１４】
コリメートされた放射線を発生させるための方法であって、
金属膜で被覆される放射線放出デバイスの通路内で放射線を発生させることであって、該金属膜は、該放射線の伝達のための開口と、該開口から漸増的に離間した一連の溝とを規定し、該開口と該最も近い溝との間の距離は、複数の連続的に離間した溝の間の距離とは異なる、ことと、
該放射線を該金属膜の該開口に通過させて、該開口から伝搬する放出された放射線と、該溝を横断する表面プラズモンとを生成することであって、該溝は、該開口からの直接放出および該溝からの放射線再放出が、強めあう干渉をして、コリメートされた放射線を遠視野で生成するように、表面プラズモンを散乱させて該放射線再放出を生成する、ことと
を含む、方法。
【請求項１５】
前記デバイスから放出される前記放射線は、該放出された放射線の伝搬方向に対して垂直な１次元、または該放出された放射線の伝搬方向に対して垂直な平面のいずれかにおいて、１０°未満の半値全幅発散を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
コリメートされたデバイスから放出される前記放射線は、該放出された放射線の伝搬方向に対して垂直な１次元、または該放出された放射線の伝搬方向に対して垂直な平面のいずれかにおいて、５°未満の半値全幅発散を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記溝は、前記表面プラズモンに対する共振溝空洞モードを作成する深度を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記放射線放出デバイスは、自由空間波長λ０の放射線を放出し、前記溝は、λ０の２０％未満である幅を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記一連の溝は、前記開口の片側に位置付けられ、少なくとも１つの付加的な溝が、該開口の反対側に提供され、該付加的な溝は、該開口を横断して、表面プラズモンを該一連の溝へと反射するように機能する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
コリメートされた放射線を発生させるための装置を製造するための方法であって、
レーザ活性コアを含む半導体基板上に誘電体膜を堆積させることと、
次いで、該誘電体膜上に金属膜を堆積させることと、
次いで、一連の漸増的に離間した溝を該金属膜内にミリングすることであって、該溝は、堆積されたとき該金属膜の厚さ未満の深度を有する、ことと、
次いで、該レーザ活性コアの前に、該金属膜を通る開口をミリングすることと
を含む、方法。
【請求項２１】
前記漸増的に離間した溝は、集束イオンビームミリング、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、マイクロコンタクトプリンティング、およびインプリントリソグラフィから選択される方法を介してミリングされる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
コリメートされた放射線を発生させるための装置を製造するための方法であって、
レーザ活性コアを含む半導体基板に、一連の漸増的に離間した溝をミリングすることと、
次いで、該ミリングした半導体基板上に誘電体膜を堆積させることと、
次いで、該誘電体膜上に金属膜を堆積させることであって、該金属膜は、下層半導体基板内の該溝に適合する外形を有する、ことと、
次いで、該レーザ活性コアの前に、該金属膜を通る開口をミリングすることと
を含む、方法。
【請求項２３】
前記漸増的に離間した溝は、集束イオンビームミリング、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、マイクロコンタクトプリンティング、およびインプリントリソグラフィから選択される方法を介してミリングされる、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（政府支援の研究）
本明細書に開示される主題に関する研究のいくつかは、契約番号ＦＡ９５５０−０４−１−０４３４の下で空軍科学研究局によって支援され、米国政府はいくつかの開示される主題に対する一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
ビームコリメート放射線源は、遠視野で光を小角度に集中させる必要がある、ポインティング（例えば、レーザポインタ）、自由空間光通信、または遠隔感知等の、数多くの用途に望ましい。コリメート光源は、レーザ出力を光ファイバおよび導波路に連結する、光通信システムにおける相互接続等の用途にも重要である。光源のコリメーションは、従来、レンズまたは放物面鏡等の、巨大で、通常は高価な光学的構成要素を使用して、外部的に実施される。本明細書では、コリメーションは、低発散（例えば、数度以下）として定義され、半導体レーザの場合、コリメーションを伴わない元々のデバイスの値未満の発散角度（例えば、１０度〜数十度）を含む。コリメート源は、低発散を伴う出力ビームを提供するので、このような源は、概して、所望のビーム外形および／または方向性を達成するように、付加的なコリメーションレンズおよび緻密な光学的配列を必要としない。スーパーコリメートビーム（例えば、１度よりもはるかに小さい発散角度）を必要とする状況では、依然として、低開口数（ＮＡ）レンズが、コリメート源に使用される場合があるが、これは、高ＮＡレンズを直接的に使用するものと比較して、費用効率が高い解決策である。
【０００３】
数多くの従来の光源の場合、それらの放射線の空間的外形は、本質的に大きい発散角度を有する。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）のｐ−ｎ接合からの放射線は、デバイス内部でほぼ等方性である。光出力に対する導波路およびデバイスカプセル化の効果を考慮した場合、ＬＥＤの発散角度は、非常に大きいまま（例えば、少なくとも数十度）である。エッジ放出半導体レーザの場合、材料成長方向における発散角度は、一般的に大きい（例えば、数十度）。これは、材料成長方向におけるレーザ導波路のサイズｗが、通常は、自由空間内のレーザ波長λ０と同等、またはそれ未満であるからである。レーザ放出は、このような閉じ込め導波路から自由空間へと伝搬する時に、λ０／ｗによって大まかに推定することができる角度に回折し、１ラジアン、すなわち約６０度程度の発散角度を得る。半導体レーザの中で、垂直空洞表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、通常、それらが、エッジ放出レーザと比較して、非常に大きい面積を有するので、ビームコリメーションが優れていると考えられている。市販のＶＣＳＥＬは、５〜３０度の範囲だが、一般的には約１５度の発散角度を有する。しかしながら、ＶＣＳＥＬは、より小さい発散角度を達成するにもかかわらず、不安定な出力偏光という固有の問題を有する。
【０００４】
以前に、Ｌｅｚｅｃ他は、入射可視光をコリメートすることができる、受動開口−溝構造を提案および実証した（非特許文献１）。開口−溝構造は、懸垂金属膜上に規定され、周期的溝によって囲まれた中央開口を含んでいた。Ｌｅｚｅｃの結果は、適切に設計された受動開口−溝構造が、高いパワースループットを有することができ、また、構造から現れるビームが、小さい発散角度を有することができることを示した。しかしながら、これらの結果は、波動光学が、サブ波長開口から現れる光は、本質的に半空間において等方性であるはずで、また、単一のサブ波長開口の伝達効率は、（ｒ／λ０）４＜＜１、ここで、ｒは、開口のサイズである、に比例するはずであると示唆しているように、直観に反したものであるとみなされ得る（非特許文献２）。
【０００５】
Ｌｅｚｅｃの研究のビーム―コリメーション現象は、以下のように理解することができる。開口から出てくる光は、格子に沿って伝搬する表面プラズモンに結合する。表面プラズモンは、金属と誘電体との間の界面に閉じ込められ、かつ該界面に沿って伝搬する、表面電磁波である。これらの表面プラズモンは、周期的格子溝によって自由空間中に散乱する。開口からの直接放出および表面プラズモンの散乱に由来する再放出は、互いに干渉し、コリメートビームを遠視野で生じさせる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｈ．Ｊ．Ｌｅｚｅｃ他、「Ｂｅａｍｉｎｇ  ｌｉｇｈｔ  ｆｒｏｍ  ａ  ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ａｐｅｒｔｕｒｅ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２９７、８２０（２００２）
【非特許文献２】Ｈ．Ａ．Ｂｅｔｈｅ、「Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｂｙ  ｓｍａｌｌ  ｈｏｌｅｓ」  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．６６、１６３（１９４４）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（概要）
本発明者らは、大部分の従来の光子デバイスの放射線放出特性は、ビームコリメーションによって大幅に向上させることができるものと認識し、理解した。より具体的には、発明者らは、低減した発散および従来のシステムと比較して同等のレベルのパワースループットを伴う、コリメートされた放射ビームを生成するために、プラズモニックコリメータと称される開口−溝構造の、能動光子デバイスまたは他の放射線放出デバイスとの適合化および統合化における有用性を認識した。サブ波長特徴を伴う好適な金属構造は、レーザの遠視野を直接的に設計する、具体的には、レーザのビーム発散を大幅に低減するために効果的に活用することができる。プラズモニック構造、より全般的には光子結晶を使用した波面エンジニアリングは、レーザ科学および技術における将来の開発に対して広範囲にわたる影響を有し得る。
【０００８】
以上のことを考慮すると、本開示は、概して、デバイスの放射線のコリメーションを向上させるための方法および装置に方向付けられる。本明細書で説明される例示的実施形態では、様々な従来の能動的および受動的な光学デバイスが、光学デバイスから放出される放射線のコリメーションを向上させるように構成される、種々の開口−溝構造と統合される。種々の例示的な実施例において、コリメーション効果を大幅に増加させるために、発明者らは、配設（例えば、配向、間隔、数等）および金属構造の次元（例えば、開口、溝等）を、特定の光学デバイスおよび所望の出力パラメータ（例えば、波長、方向、発散等）で使用するために調整できることを理解した。このように、本明細書で説明される例示的実施形態は、増加したビームコリメーションを伴う改善したデバイスを提供する、様々な従来の光学デバイスとの統合化のための好適な開口−溝配設を実証する。
【０００９】
発明者らは、遠視野でのビームコリメーションを実現するために、近視野内のサブ波長スケールでの光の操作という課題も理解した。したがって、本明細書で開示される種々の概念は、従来のビームコリメーションアプローチの実質的な改良を提供する。開口−溝構造の根底にある物理的な原理は、開示される技術の無数の光学システムへの適用において、かなりの柔軟性を提供する。例えば、偏光制御可能な垂直空洞表面放出レーザから、低発散発光ダイオード、カプラを含まない光ファイバに及ぶ広範囲の応用を、本明細書で開示される方法および装置によって達成することができる。下記にさらに詳しく説明される例示的な一実施形態では、開口−溝構造の量子カスケードレーザのファセットへの組み込みは、未改良の量子カスケードレーザの発散角度よりも２桁以上小さい発散角度を伴う出力ビームをもたらす。ビーム発散の低減は、１次元（すなわち、デバイスの材料成長方向に対して平行）、または２次元（すなわち、材料成長方向に対して平行かつ垂直）のいずれかで達成することができる。開口−溝構造を伴うデバイスのパワースループットは、未改良の量子カスケードレーザのパワースループットに匹敵する。
【００１０】
本構造によって提供され得るさらなる利益は、プラズモニックコリメータが光源と統合される配列に対するいかなる必要性も無いことである。加えて、プラズモニックコリメータの設計をスケーリングすることによって、コリメータを、可視波長から遠赤外線波長に及ぶ広範囲の放出波長を伴うあらゆるタイプの光源に適合させることができる。さらに、プラズモニックコリメータは、ビーム発散を２つの直交方向に本質的に制御することができ、これは、光学経路に沿った収差を低減するために円形断面を伴うコリメートされたビームが必要とされる、一部の応用に有用である。
【００１１】
「光源」という用語は、種々の非干渉性光源（例えば、発光ダイオード）、種々のタイプのレーザ、光ファイバ等が挙げられるが、これに限定されない、様々な能動または受動放射線放出デバイスのうちのいずれか１つ以上を指すものと理解されたい。所与の光源は、可視スペクトルの範囲内、可視スペクトルの範囲外、または両者の組み合わせの電磁放射線を発生するように構成され得る。したがって、「光」および「放射線」という用語は、本明細書で代替可能に使用される。
【００１２】
上述の概念および下記により詳しく論じられる付加的な概念のうちの全ての組み合わせは、本明細書で開示される発明的主題の一部であるものとして意図されていることを理解されたい。また、参照することによっても組み込まれ得る、本明細書に明示的に採用される専門用語は、本明細書で開示される特定の概念に最も整合する意味が与えられるべきであることも理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、プラズモニックコリメーションの作用機構を示す図である。
【図２】図２は、プラズモニックコリメータの第１の構成の断面を示す図である。本構成では、デバイスファセットへの被覆は、絶縁薄膜と金属厚膜とを含む。開口および溝は、金属厚膜内に規定される。
【図３】図３は、プラズモニックコリメータの第２の構成の断面を示す図である。本構成は、最初に、むきだしのデバイスファセット内に彫刻される溝から成り、その後に、絶縁および金属層の堆積、次いで開口部の堆積を行う。
【図４】図４は、１次元（１Ｄ）プラズモニックコリメータでパターン化した、エッジ放出レーザを示す図である。電場偏光は、垂直であると仮定する。
【図５】図５は、１次元（１Ｄ）プラズモニックコリメータでパターン化した、エッジ放出レーザを示す図である。電場偏光は、水平であると仮定する。
【図６】図６は、２次元（２Ｄ）プラズモニックコリメータでパターン化した、エッジ放出レーザを示す図である。
【図７】図７は、図５に示されるデバイスのためのデバイスファセット上の表面プラズモンの強度分布を示す図である。電場偏光は、垂直であると仮定する。
【図８】図８は、デバイスファセット上の溝の間隔の展開図、およびファセット上の表面プラズモン波長の展開図である。どちらも、開口から離れてわずかに増加している。
【図９】図９は、デバイスの放射線がそこを通ってファセット表面上に出る、長方形の開口を示す図である。
【図１０】図１０は、デバイスの放射線がそこを通ってファセット表面上に出る、Ｃ字形の開口を示す図である。
【図１１】図１１は、デバイスの放射線がそこを通ってファセット表面上に出る、Ｈ字形の開口を示す図である。
【図１２】図１２は、デバイスの放射線がそこを通ってファセット表面上に出る、螺旋形の開口を示す図である。
【図１３】図１３は、デバイスの放射線がそこを通ってファセット表面上に出る、螺旋形の開口の別の実施形態を示す図である。
【図１４】図１４は、そのファセット上に規定される開口アレイ構造を伴う、エッジ放出レーザを示す図である。
【図１５】図１５は、そのファセット上に規定される開口アレイおよび１次元（１Ｄ）格子を伴うエッジ放出レーザ示す図である。
【図１６】図１６は、複数の開口および格子を備える開口−溝構造でパターン化した、垂直空洞表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。
【図１７】図１７は、円形格子によって囲まれたリング開口を備えるリング−開口−溝構造でパターン化した、発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す図である。
【図１８】図１８は、光ファイバ上のリング−開口−溝構造を示す図である。
【図１９】図１９は、光ファイバのための複数の開口および格子を備える、開口−溝構造を示す図である。
【図２０】図２０は、λ０＝９．９μｍの量子カスケードレーザに関して規定される第１の構成（図２）のプラズモニックコリメータ周辺の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。１５本の格子溝が存在すると仮定する。
【図２１】図２１は、図２０においてシミュレートしたデバイスについて、計算した垂直遠視野強度分布を示す図である。挿入画は、中央ピークの拡大図である。
【図２２】図２２は、λ０＝９．９μｍの量子カスケードレーザに関して規定される第２の構成（図３）のプラズモニックコリメータ周辺の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。１５本の格子溝が存在すると仮定する。
【図２３】図２３は、図２２においてシミュレートした構造について、計算した垂直遠視野強度分布を示す図である。挿入画は、中央ピークの拡大図である。
【図２４】図２４は、制御構造−すなわち、プラズモニックコリメータを伴わない元々のλ０＝９．９μｍの量子カスケードレーザ−に対する、強度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図２５】図２５は、図２４においてシミュレートした構造について、計算した垂直遠視野強度分布を示す図である。
【図２６】図２６は、一片の金属膜によって部分的に覆われたその開口を伴う、プラズモニックコリメータの横断面を示す図である。
【図２７】図２７は、図２６に示されるプラズモニックコリメータ周辺の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。レーザ波長は、９．９μｍであり、１１本の格子溝（全てが図に示されているわけではない）が存在すると仮定する。
【図２８】図２８は、図２７においてシミュレートした構造について、計算した垂直遠視野強度分布を示す図である。挿入画は、中央ピークの拡大図である。
【図２９】図２９は、二重金属導波路を伴うプラズモニックコリメータの横断面を示す図である。外側金属層は、スリット開口アレイでパターン化される。
【図３０】図３０は、図２９に示されるプラズモニックコリメータ周辺の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。レーザ波長は、９．９μｍであり、５５個のスリット開口が外側金属層（全てが図に示されているわけではない）に存在すると仮定する。
【図３１】図３１は、図３０においてシミュレートした構造について、計算した遠視野強度分布を示す図である。挿入画は、中央ピークの拡大図である。
【図３２】図３２は、二重金属導波路を伴うプラズモニックコリメータを示す図である。外側金属層は、２次元（２Ｄ）開口アレイでパターン化される。
【図３３】図３３は、元々のλ０＝９．９μｍのリッジ導波管量子カスケードレーザのファセットの走査電子顕微鏡画像である。
【図３４】図３４は、１次元（１Ｄ）プラズモニックコリメータをパターン化した後の、図３３に示されるレーザのファセットの走査電子顕微鏡画像である。２４本の格子溝が存在する。
【図３５】図３５は、図３３に示されるデバイスの、測定した遠視野放出外形を示す図である。
【図３６】図３６は、図３４に示されるデバイスの、測定した遠視野放出外形を示す図である。
【図３７】図３７は、図３５の矢印に沿った、垂直線走査を示す図である。
【図３８】図３８は、図３６の矢印に沿った、垂直線走査を示す図である。左の挿入画は、中央ピークの拡大図である。右の挿入画は、計算したモード外形である。２つの挿入画は、互いに極めて良好に適合している。
【図３９】図３９は、図３３および３４（すなわち、１次元（１Ｄ）プラズモニックコリメータを規定する前、および規定した後）に示されるデバイスが取る、光出力対電流（ＬＩ）特性を示す図である。破線の曲線は、元々のパターン化されていないデバイスのものであり、実線の曲線は、プラズモニックコリメータでパターン化したデバイスのものである。挿入画は、１．５Ａの駆動電流のパターン化デバイスのレーザスペクトルである。
【図４０】図４０は、元々のλ０＝８．０６μｍの埋め込みヘテロ構造量子カスケードレーザのファセットの走査電子顕微鏡画像である。
【図４１】図４１は、図４０に示されるデバイスの、測定した遠視野放出外形を示す図である。
【図４２】図４２は、２次元（２Ｄ）プラズモニックコリメータをパターン化した後の、図４０に示されるレーザのファセットの走査電子顕微鏡画像である。２０本の円形格子溝が存在する。挿入画は、拡大図である。
【図４３】図４３は、図４２に示されるデバイスの、測定した遠視野放出外形を示す図である。
【図４４】図４４は、２０本の円形格子溝でパターン化したデバイスが取る、光出力対電流（ＬＩ）特性を示す図である。実線は、元々のパターン化されていないデバイス（図４０）のものである。他の曲線は、デバイスを、種々の横方向開口サイズを有するコリメータでパターン化した後のものである。
【図４５】図４５は、２次元（２Ｄ）プラズモニックコリメータでパターン化した、λ０＝９．９μｍのリッジ導波管量子カスケードレーザのファセットの走査電子顕微鏡画像である。１０本の円形格子溝が存在する。挿入画は、拡大図である。
【図４６】図４６は、図４５に示されるデバイスの、測定した遠視野放出外形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（詳細な説明）
以下の文は、デバイスの放射線のコリメーションを向上させるための、本開示による方法および装置に関連する種々の概念、およびそれらの発明的実施形態のより詳細な説明を提供する。上記に導入され下記により詳しく論じられる主題の種々の側面は、その主題がいかなる特定の実施方法にも限定されないので、数多くの方法のうちのいずれかで実施され得るものと理解されたい。特定の実施および応用例は、主として例証を目的として提供される。
【００１５】
発明者らによる関連する研究は、以下の論文において説明されている。Ｎ．Ｙｕ他、「Ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ａｎｔｅｎｎａ−ａｒｒａｙ  ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  １６、１９４４７（２００８）、Ｎ．Ｙｕ他、「Ｓｍａｌｌ  ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ  ｅｄｇｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９３、１８１１０１（２００８）、Ｎ．Ｙｕ他、「Ｓｍａｌｌ−ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒｓ  ｂｙ  ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ」、Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ２、５６４（２００８）。
【００１６】
プラズモニックコリメータの作用機構は、図１を参照して以下のように説明することができる。プラズモニックコリメータは、開口１４と、金属被覆デバイスファセット上にパターン化される格子溝１６とを含む。開口１４は、放射線が出る領域に位置する。開口１４は、少なくとも１次元のサブ波長である。該開口は、デバイスの放射線の一部を表面プラズモン２８に結合する。表面プラズモン２８は、格子溝１６を通って格子溝１６によって散乱され、多数の放射線再放出４を生成する。開口１４および格子溝１６の場所は、開口１４からの直接放出２および格子溝１６からの全ての再放出４が同位相になる、すなわち位相差が２πの整数倍に等しくなるように選択される。したがって、直接放出２と再放出４との間の強めあう干渉により、デバイス出力の発散が低減される。プラズモニックコリメータ内の開口１４および溝１６は、コヒーレント光源のアレイとして効果的に機能するが、これは、指向的な放送および宇宙通信に使用される位相アレイアンテナに類似する。理論的には、ビームの発散角度は、格子溝の数Ｎに反比例するはずであり、小発散ビームのピーク強度は、Ｎ２にほぼ比例するはずである。
【００１７】
本開示の種々の実施形態によれば、プラズモニックコリメータの放射線放出デバイス（例えば、レーザ、発光ダイオード、光ファイバ等）への統合化は、一連のステップを含む。最初に、デバイスファセットを、電気絶縁誘電体２６（例えば、アルミナまたはシリカ）および厚い金属層２９（例えば、金、銅、または銀）の層で被覆することができる。第２に、集束イオンビーム（ＦＩＢ）ミリング、フォトリソグラフィ、または電子ビームリソグラフィ（ＥＢＬ）を、厚い金属層の開口−溝構造を規定するために用いることができる。開口１４は、放射線がデバイスを出る場所に作成される。開口１４は、金属膜を通る開口部であるが、溝の深度は、金属膜の厚さよりも小さい。これらのプロセスの結果として生じる構成を図２に示す。プラズモニックコリメータを作製する代替の方法は、以下の通りである。最初に、溝１６を、ＦＩＢミリング、フォトリソグラフィ、またはＥＢＬを用いて、むきだしのデバイスファセット２４上に切り込むことができる。次に、絶縁誘電体層２６および金属膜の薄層を堆積させることができる。最後に、開口１４を開くために、ＦＩＢミリングを用いることができる。これらのプロセスの結果として生じる構成を図３に示す。ビームコリメーションおよびパワースループットの観点から、図２および３に示される２つの構成は同等である。しかし、あるタイプの放射線放出源の場合、一方の構成のほうが、他の構成と比べて作製し易い場合がある。
【００１８】
インプリントリソグラフィ（Ｓ．Ｙ．Ｃｈｏｕ他、「Ｉｍｐｒｉｎｔ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ  ｗｉｔｈ  ２５−ｎａｎｏｍｅｔｅｒ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２７２、８５（１９９６））、およびマイクロコンタクトプリンティング（Ｐ．Ｃ．Ｈｉｄｂｅｒ他、「Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔａｃｔ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｐａｌｌａｄｉｕｍ  ｃｏｌｌｏｉｄｓ：ｍｉｃｒｏｎ−ｓｃａｌｅ  ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ  ｂｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃｏｐｐｅｒ」、Ｌａｎｇｍｕｉｒ、１２、１３７５（１９９６））等の、軟性リソグラフ法も、プラズモニックコリメータのパターン化に採用することができる。これらの方法は、高スループットおよび費用効率の高い処理を可能にする。
【００１９】
以下の段落では、プラズモニックコリメータを設計するために用いられる物理的な考慮事項を論じる。次いで、特定の放射線源のための正しいタイプのプラズモニックコリメータを選択する問題を論じる。プラズモニックコリメータは、２つのタイプに分けることができる。第１のタイプは、１次元（１Ｄ）開口−溝構造を使用して、１Ｄだけで放射線をコリメートするものであり（図４および５）、第２のタイプは、２次元（２Ｄ）開口−溝構造を使用して、完全な、または２Ｄコリメーション、すなわち、デバイスの放出ファセットの平面内のコリメーションを提供する（図６）。
【００２０】
プラズモニックコリメータの複数の幾何学的パラメータは、所与のファセット領域に対して、最小のビーム発散および最高のパワースループット（例えば、そうしなければ同じである、パターン化されていないレーザの出力スループットの半分以上）を得るように最適化することができる。関連するパラメータの例には、金属膜の厚さ、開口の形状およびサイズ、溝の間隔、開口と最も近い溝との間隔、溝の総数、および各溝の幅および深度が挙げられるが、これに限定されない。
【００２１】
金属膜の厚さは、動作波長（例えば、９．９μｍの波長に対して約１２０ｎｍ）において、光学的皮膚深度さの少なくとも数倍（本明細書で使用する場合、「数」とは、例えば、少なくとも３を表し得る）となり得る。これは表面プラズモンが、金属膜を通って透過して、予期しない結果に至ることを防止する。「皮膚深度」は、電磁場がどのくらい深く金属層内に透過することができるのかを特徴付けるために用いることができ、また、電磁場の大きさが、金属層の表面上の値の１／ｅ（ここで、ｅは、自然数ｅ≒２．７１８である）に減衰する距離として定義される。
【００２２】
間隔ｄｉ（ｉ＝１、２、３、．．．ｎ）（図８）は、開口１４から現れる放射線２と、格子溝１６に由来する再放出４との正しい位相関係を与えるように調整することができ、したがって、それらの間の最大の強めあう干渉を達成する。表面プラズモン波長λｓｐは、開口１４周辺の近傍では一定でない（Ｇ．Ｌｅｖｅｑｕｅ他、「Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｂｅｈａｖｉｏｒ  ｏｆ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎ  ｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ  ｓｃａｔｔｅｒｄ  ａｔ  ａ  ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｇｒｏｏｖｅ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、７６、１５５４１８（２００７）、Ｐ．Ｌａｌａｎｎｅ他、「Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｎａｎｏｏ−ｏｂｊｅｃｔｓ  ａｔ  ｍｅｔａｌｌｏ−ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ」、Ｎａｔ．Ｐｈｙｓ．２、５５１（２００６））。開口のすぐ近くの表面プラズモン波長、すなわちλｓｐ−ｎｅａｒは、通常、開口から遠く離れた表面プラズモン波長、すなわちλｓｐ−ｆａｒよりも数パーセント小さい。λｓｐ−ｎｅａｒからλｓｐ−ｆａｒへの遷移領域は、中間赤外放射線に対しては自由空間波長λ０の約１０倍であり、かつ可視放射線に対してはより小さい。したがって、理想的な設計は、λｓｐの展開に整合させ、よって、直接放出２および再放出４の位相が、正確に２πｍ（ｍは、整数）倍異なるように、ｄｉ（ｉ＝１、２、３、．．．ｎ）に位置付けられる、溝１６を有し得る。理想的な構造の一次近似として、ｄ１＜ｄ２＝ｄ３．．．＝ｄｎ＝Λである設計を選択することができ、ここで、ｄ１は、開口と最も近い溝との間隔であり、Λは、格子周期である。ｄ１およびΛは、コリメートされたビームのピーク強度を最大化することによって、シミュレーションで決定することができる。最適パラメータは、λ０＝９．９μｍの量子カスケードレーザに対してｄ１＝７．３μｍおよびΛ＝８．９μｍであり、λ０＝８．０６μｍの量子カスケードレーザに対してｄ１＝６．０μｍおよびΛ＝７．８μｍであることが分かった。
【００２３】
レーザファセットの制限された面積により、格子１６は、開口の基板側にだけしか規定され得ない（図１、２、３、および４）。しかしながら、それでも、１つ以上の付加的な溝１６’を、開口の反対側、開口１４と上部電気接点１８との間に含むことができる（図１および４）。これらの付加的な溝１６’は、コリメートされたビームの強度を増加させ、かつ背景放射線を低減する。物理的に、これらの付加的な溝１６’は、開口１４において発生して、レーザの上部接点１８に向かって伝搬する表面プラズモンに対するリフレクタとして機能し、それによって、上部接点１８における散乱を低減し、かつ格子溝１６の効果を最大化する。リフレクタの溝１６’の位置は、反射された表面プラズモンと、開口１４で発生して格子溝１６に向かって伝搬する表面プラズモンとの間の強めあう干渉を最大化するように選択される。図４に示されるレーザの一実施形態では、上部溝１６’の中間点は、９．９μｍのレーザ波長の場合、開口１４の中間から上に３．５μｍ離間している。
【００２４】
狭幅溝は、個々の溝１６が、それぞれ表面プラズモン２８の伝搬にわずかな障害しか導かないように選択される。シミュレーションでは、広幅溝は、通常、強すぎる散乱を提供し、したがって、表面プラズモン２８の最初の数本の溝への伝搬を制限する。これは、コリメータの効果的な機能が、干渉する再放出４の数に依存するので、制限されたコリメーションをもたらす。
【００２５】
溝深度ｈは、溝空洞モード、すなわち、溝１６の深度に沿った定存波の作成を可能にするように調整される（Ｇ．Ｌｅｖｅｑｕｅ他、「Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｂｅｈａｖｉｏｒ  ｏｆ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎ  ｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ  ｓｃａｔｔｅｒｅｄ  ａｔ  ａ  ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｇｒｏｏｖｅ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  ７６、１５５４１８（２００７）、Ｌ．Ｍａｒｔｉｎ−Ｍｏｒｅｎｏ他、「Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｈｉｇｈｌｙ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｒｏｍ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ  ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｂｙ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９０、１６７４０１（２００３））。共鳴条件は、表面プラズモン２８を自由空間に結合する際に、そうでなければ非効率的である散乱（すなわち、幅の細い溝１６）を効率的にする。
【００２６】
発散角度を低減し、かつコリメートされたパワーを増加させるために、事実上実行可能な数の格子溝１６を有することは好都合である。しかしながら、溝の追加は、表面プラズモン２８がそれらに到達することができる場合にだけしか影響を及ぼさない。したがって、表面プラズモンの伝搬距離は、固有の限界である。プラズモニックコリメータでは、格子溝１６による自由空間への所望の散乱は、伝搬距離を制限する主要な因子として作用する。この因子を考慮すると、表面プラズモン２８は、中間赤外波長において数百マイクロメートル以上（すなわち、数十の自由空間波長と同等の距離）を伝搬することができる。この伝搬距離は、デバイスの放射線を数度以内にコリメートするのに十分である、少なくとも数十の格子溝１６をパターン化できるようにする。
【００２７】
ある設計に対して想定される格子溝の数Ｎに基づいて、溝幅ｗを、表面プラズモン２８の伝搬範囲が格子溝１６の程度と整合するように微調整することができる。この微調整は、格子を最大限に使用させ、最大のパワースループットおよび最小のコリメーション角度を与える。この点で、大きいＮを伴う設計は、小さいＮを伴う設計よりもわずかに細い（すなわち、表面プラズモンの散乱において効率的でない）溝を有するはずである。
【００２８】
複数の設計パラメータ（すなわち、金属の厚さ、格子溝の位置、リフレクタの溝の位置、格子溝の深度ｈおよび幅ｗ、ならびに格子溝の数Ｎ）に関する上述の考察を、１Ｄおよび２Ｄプラズモニックコリメータの両方に適用する。これら２つの差異は、それらの開口および格子溝の形状にある。１Ｄコリメーションでは、格子は、直線の並列格子溝を伴う１次元であり（図４）、２Ｄコリメーションでは、格子は、一組の同心円状の溝である（図６）。
【００２９】
１Ｄコリメーションに対する開口１４は、スリットである（図４）。スリットは、デバイスの放射線を表面プラズモン２８に効率的に結合するために、格子溝１６に対して垂直な方向のサブ波長である。最適なスリット幅は、シミュレーションによって決定することができる。より幅の狭いスリットは、デバイス内部からの放射線を強く後方散乱し、したがって、パワースループットを低減させる。より幅の広いスリットは、デバイスの放射線を表面プラズモンに結合する際に、遠視野での大きい背景に至る。図４に示されるレーザの一実施形態では、最適化されたスリット幅は、約９．９μｍのレーザ波長に対して約２μｍであり、これは活性領域の厚さに近いことが分かった。格子溝１６に平行な他の次元では、スリット開口１４は、最大パワー出力を可能にするように、できるだけ幅を広くすることができる。１Ｄコリメーションは、格子溝１６に垂直な方向にだけしかコリメーションを与えない。
【００３０】
２Ｄコリメーションのための開口１４は、垂直方向および横方向の両方のサブ波長である（図６）。これらのサブ波長次元は、デバイスファセット上を２次元で伝搬する表面プラズモン２８へのデバイスの放射線の効率的な結合を可能にする。これらの表面プラズモン２８は、２Ｄ格子溝１６によって散乱され、遠視野での完全な、または２Ｄのコリメーションに至る。ここでも、デバイスのパワースループットとビームのコリメーションとの間にはトレードオフが存在する。開口１４が、自由空間波長λ０よりもはるかに小さい次元を伴う深サブ波長である場合、表面プラズモン２８へのデバイスの放射線の結合は有効であるが、パワー伝達は、小さい開口サイズによって大幅に制限される。一方で、例えばλ０と比較して、開口１４が大き過ぎる場合、開口１４では制限された回折が続き、大部分を遠視野で直接的に放出して、不十分なビームコリメーションを与える。図６内に示される量子カスケードレーザの一実施形態では、量子カスケードレーザは、垂直磁場によって偏光される横磁気（ＴＭ）であるので、表面プラズモン２８は、垂直方向に選択的に伝搬する。表面プラズモン２８の横方向への幅広い拡散も達成するために、開口の横方向サイズは、サブ波長とするべきである。パワースループットとビームコリメーションとの間の良好なトレードオフは、８．０６μｍのレーザ波長に対して、垂直サイズが約２μｍで、横方向サイズが約４〜６μｍの開口である。図７は、２×４μｍ２の開口および２０本の格子溝から成る２Ｄコリメータでパターン化したλ０＝８μｍの量子カスケードレーザに対する、デバイスファセット上の表面プラズモンの分布のシミュレーションを示す。
【００３１】
レーザファセット上の開口１４は、様々な構成のうちのいずれかを有することができる。図６および９に示される簡単な構成では、開口１４は、矩形状を有する。他の配設では、図１０におけるＣ字形、図１１におけるＨ字形、および図１２および１３における螺旋形を用いることができる。スロットアンテナ理論は、これらのより複雑な開口が、同じ面積の長方形の開口と比較して、さらに多くのパワースループットを可能にすることができると予測している（Ｒ．Ａｚａｄｅｇａｎ他、「Ａ  ｎｏｖｅｌ  ａｐｐｒｏａｃｈ  ｆｏｒ  ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｌｏｔ  ａｎｔｅｎｎａｓ」、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ａｎｔｅｎｎａｓ  Ｐｒｏｐａｇ．５１、４２１（２００３））。他の蛇行形状（例えば、Ｓ字形）も同様に用いることができる。
【００３２】
源の特性および最終的なコリメートされたビームの所望の特性に基づいて、異なる放射線放出源は、異なるプラズモニックコリメータ設計を用いることができる。
【００３３】
例えば、周知の電場偏光１２を有するエッジ放出半導体レーザ（例えば、レーザダイオードまたは量子カスケードレーザ）の場合、１Ｄコリメーションしか必要としない場合、（図４および５に示されるように）開口１４と、電場偏光１２に対して垂直に配向される各溝１６とを伴うプラズモニックコリメータが好適な選択肢となり得る。量子カスケードレーザの場合、場の偏光は、垂直方向である（図４）。レーザダイオードの場合、場は、水平方向である（図５）。結果的に、２つのデバイスに対する開口−溝構造の配向は異なる。図４および５に示されるように、レーザは、上部電気接点１８（金等の導電性金属で形成される）と、活性領域２２（半導体量子井戸で形成され、かつ−示されるように、垂直に測定して−開口１４とほぼ同じ幅を有する）と、基板２４（例えばリン化インジウムで形成される）と、絶縁誘電体２６（例えばアルミナで形成される）と、後部電気接点２０（金等の導電性金属で形成される）とをさらに含む。
【００３４】
図４に示される一実施形態では、シミュレーションに基づいて、異なる波長を伴う２つのタイプの量子カスケードレーザに対して、表１に示される以下の最適パラメータを使用する。類似の設計手順は、他の波長でのエッジ放出半導体レーザのための最適設計に至る。
【００３５】
【表１】
2011503664.tif 000003
エッジ放出半導体レーザに対して２Ｄコリメーションが想定される場合は、長方形の開口１４および円形格子１６を伴うプラズモニックコリメータを使用することができる（図６）。表１に示される同じ最適パラメータを、対応するレーザ波長に使用することができる。
【００３６】
エッジ放出半導体レーザのための横方向の（すなわち、材料の成長方向に対して垂直な）ビームのコリメーションは、図１４に示されるように、デバイスファセット上に規定される開口アレイ構造４２を用いて達成することもできる。開口アレイ４２は、電場が同じ偏光を有する、レーザの横モードの部分に位置する。一例として、図１４の拡大図は、量子カスケードレーザのＴＭ０４モードに対する異なるローブの偏光、および開口アレイ４２が、どのように下向きの偏光で２つのローブを遮断するのかを示す。モードの逆偏光された成分からの寄与を排除することによって、横方向に低発散角度を伴う、単一の光ビームを遠視野で発生させることができる。
【００３７】
他の方法で光をコリメートするために、上述の設計構造の組み合わせを採用することができる。例えば、２Ｄコリメーションは、図１５に示されるように、エッジ放出半導体レーザの場合、図４および図１４に示される構造の要素を組み合わせることによって達成することができる。
【００３８】
特に不安定な偏光を伴う、垂直空洞表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）の場合、図１６に示されるように、多重開口−溝構造が好適な選択肢となり得る。この多重開口−溝構造は、ＶＣＳＥＬと統合した時に複数の利点を提供する。例えば、構造は、開口／溝に対して垂直な偏光を伴う場の成分だけが通過できるようにし、明確な偏光のレーザ出力を得る。加えて、ＶＣＳＥＬは、エッジ放射レーザと比較して、はるかに大きい放出面積を有するので、多重開口を伴うプラズモニック構造は、大きいパワースループットを可能にすることができる。図１６のＶＣＳＥＬは、活性領域２２の両側に、上部ブラッグリフレクタ３０と、下部ブラッグリフレクタ３２とを含む。
【００３９】
光出力が特定の偏光を有さない発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合、図１７に示されるように、中心リング開口３４と、一組の同心円溝１６とを備えるリング開口−溝構造を採用することができる。この構造の利点には、あらゆる偏光の光源との使用に対する適用性、および穴−開口と、一組の同心円溝とを備える開口−溝構造と比較して、より高いスループットが挙げられる。図１７のＬＥＤは、上部接点１８と後部接点２０との間に、ｐドープ領域３６と、ｎドープ領域３８とをさらに含む。
【００４０】
光ファイバ４０の場合、光出力の所望の偏光に応じて、リング開口−溝構造（図１８）または多重開口−溝構造（図１９）のいずれかを使用することができる。光ファイバは、他の何らかの光学的構成要素に光を結合するために使用される、能動ファイバデバイス（例えば、ファイバレーザ、エルビウムドープファイバ増幅器）、または受動ファイバとすることができる。
【００４１】
開口−溝構造に基づく量子カスケードレーザためのビームコリメーションのシミュレーションの結果は、プラズモニックコリメータ（図２０〜２３）の設計の実現可能性および劇的な効果を示すのを援助する。図２０は、図２の構成に従ってそのファセット上に規定される、最適化した１Ｄプラズモニックコリメータを伴う、λ０＝９．９μｍの量子カスケードレーザ周辺の強度分布のシミュレーションの結果を示す。図２１は、デバイスについて、計算した遠視野強度分布を示す。
【００４２】
図２２および２３は、それぞれ、図３の構成に従ってそのファセット上に規定される、最適化した１Ｄプラズモニックコリメータを伴う、λ０＝９．９μｍの量子カスケードレーザについて、強度分布の２次元シミュレーションおよび計算した垂直遠視野強度分布を示す。これらのシミュレーションおよび計算（図２０〜２３）では、パターン化した１５本の格子溝がレーザファセット上に存在する。プラズモニックコリメータを伴わないレーザ（図２４および２５）と比較して、上述の２つの設計の場合、材料層に対して垂直なビーム発散において１桁を超える低減が存在することに留意されたい。制御シミュレーションに関して、図２４および２５は、それぞれ、未改良のλ０＝９．９μｍの量子カスケードレーザ−に対する、強度分布の２Ｄシミュレーションおよび計算した遠視野強度分布を示す。
【００４３】
金属膜によって部分的に覆われる開口１４を伴う代替の設計を図２６に示す。本実施形態では、例えばアルミナ、シリカ、またはカルコゲナイドガラスで形成される透明誘電体層４８が、開口１４を覆って位置付けられる。次いで、金属膜４６が、誘電体層４８を覆って位置付けられる。金属膜４６は、開口１４からの全ての放射線を表面プラズモン内に伝達し、該放射線は、格子溝１６に向かって伝搬する。この構造の強度分布のシミュレーションを図２７に示し、デバイスの計算した遠視野強度分布を図２８に示す。シミュレーションおよび計算では、１１本の格子溝が存在すると仮定する。
【００４４】
二重金属導波路構造を伴う代替の設計を図２９に示す。本実施形態では、例えばアルミナ、シリカ、またはカルコゲナイドガラスで形成される透明誘電体層４８が、活性領域２２に隣接した開口１４を覆って位置付けられる。透明誘電体層４８は、外側金属層４６と内側金属層５０の間にはさまれる。光は、開口１４を通って活性領域２２から、透明誘電体層４８内に進行する。光は、他の実施形態のように、外側金属層４６内の一連のスリット開口４７を通って透明誘電体層４８を出て、強めあう干渉をするように、コリメートされた光出力を生成する。スリット開口４７の間隔は、金属−誘電体−金属導波路モードの波長にほぼ等しい。スリット開口の正確な間隔および個々の開口の幅は、単一金属膜のプラズモニックコリメータに対して行われるものに類似する、コンピュータシミュレーションでさらに最適化することができる。この構造の強度分布のシミュレーションを図３０に示し、デバイスの計算した遠視野強度分布を図３１に示す。シミュレーションおよび計算では、５５個のスリット開口が存在すると仮定する。
【００４５】
最後の段落における二重金属導波路構造は、その外側金属層４６が１Ｄスリット開口アレイ４７でパターン化されるので、１つの方向にだけしかコリメートしない。その代わりに、図３２に見られるように、外側金属層４６が、２Ｄ開口アレイ４９（例えば、長方形の開口、円形の開口、リング開口、Ｃ字形またはＨ字形の開口、螺旋形の開口等）でパターン化される場合、構造は、２次元にコリメートすることができる。横方向および垂直方向における開口４９の間隔は、金属−誘電体−金属導波路モードの波長にほぼ等しい。
【００４６】
（実験）
プラズモニックコリメーションを実証するために、モデルシステムとして量子カスケードレーザを使用する。リッジ量子カスケードレーザ上に１Ｄプラズモニックコリメータを作製した。リッジデバイスは、およそλ０＝９．９μｍで放出し、分子ビームエピタキシによって成長させた。リッジデバイスは、２．１μｍの能動領域の厚さ、および種々の活性領域幅を有した。
【００４７】
作製手順は、量子カスケードレーザのリン化インジウム基板内の格子溝の集束イオンビームミリングから始めた。次に、電気的絶縁のために、電子ビーム堆積を用いて厚さ２００ｎｍのアルミナ膜をレーザファセット上に堆積させ、熱堆積を用いて厚さ６００ｎｍの金膜を堆積させた。溝の壁もアルミナ膜および金膜によって覆われるように、多角堆積を行った。最後に、再び集束イオンビームミリングを用いて、レーザ活性コアの前に金膜を通る開口を開いた。集束イオンビームは、半導体内に滑らかな特徴をミリングするが、金属のミリングは、金属内の大きいサイズの微結晶により、顕著な粗さをもたらすので、−厚い金膜を最初に堆積し、その後に半導体に溝を切り込む代わりに（図３）−いずれかの堆積の前に半導体に溝を切り込む手順を選択する（図２）。
【００４８】
デバイスの２Ｄ遠視野放出パターンをマップするために、２つの電動式回転ステージを使用した。試験を行ったデバイスは、回転ステージのうちの一方に装着し、垂直平面内を回転できるようにした。中間赤外テルル化水銀カドミウム検出器を他方のステージに装着し、水平平面内を走査できるようにした。デバイスと検出器との間の距離は、約１５ｃｍに一定に保った。測定は、０．２５°の分解能で実施した。パワーの測定は、較正付パワーメータで行った。直径６．５ｍｍの金属収集管を有するパワーメータを、２ｍｍのレーザの範囲内に設置し、したがって、レーザファセットの垂線に対して約±６０°の角度範囲で、放出されたパワーを収集した。フーリエ変換赤外分光計を、スペクトル測定に使用した。
【００４９】
図３３および３４は、それぞれ、スリット開口と、２４本の溝とを備える、１Ｄプラズモニックコリメータをパターン化する前、およびパターン化した後の、λ０＝９．９μｍの量子カスケードレーザの走査電子顕微鏡画像を示す。プラズモニック構造をパターン化する前、およびパターン化した後に測定した２Ｄ遠視野強度分布は、それぞれ、図３５および３６に示され、垂直方向の発散の大幅な低減を実証している。レーザの偏光方向の２Ｄ遠視野放出の（図３５および３６の矢印に沿った）線走査は、それぞれ、図３７および３８に提供され、これらは、（本明細書で参照する場合、半値全幅として測定した）発散角度が、元々のデバイスの約６３度から、１Ｄコリメータを伴うデバイスの約２．４度へと低減されたことを示している。線走査は、コリメータでパターン化したデバイスの背景の平均強度が、中央ローブのピーク値の１０％未満であることも示している。図３９は、１Ｄプラズモニックコリメータを規定する前、および規定した後の光出力対電流特性を示し、約１００ｍＷの最大出力パワーを実証する。パターン化したデバイスの光出力対電流特性のスロープ効率は、主として、表面プラズモンを自由空間内に結合する、プラズモニック格子の効率によって決定される。より大きいスロープ効率が、より多数の溝を伴う格子と相関することが分かった。図３４に示される、２４本の溝を伴うデバイスは、約１８０ｍＷＡ−１のスロープ効率を有するが、これは、コリメータを伴わない元々のレーザのスロープ効率の約９０％である。
【００５０】
２Ｄプラズモニックコリメータを、リッジ量子カスケードレーザ上、および埋め込みヘテロ構造量子カスケードレーザ上の両方に作製した。リッジデバイスは、およそλ０＝９．９μｍで放出し、分子ビームエピタキシによって成長させた。埋め込みヘテロ構造デバイスは、およそλ０＝８．０６μｍで放出し、金属有機気相エピタキシーによって成長させた。リッジデバイスは、２．１μｍの能動領域の厚さ、および種々の活性領域幅を有した。全ての埋め込みヘテロ構造デバイスの活性領域は、それぞれ、垂直方向で２．１μｍおよび横方向で９．７μｍの次元を有した。
【００５１】
２Ｄプラズモニックコリメーションの作製手順および遠視野測定準備は、本質的に、１Ｄプラズモニックコリメーションのものと同じであった。
【００５２】
２Ｄプラズモニックコリメータでパターン化した、λ０＝８．０６μｍの埋め込みヘテロ構造量子カスケードレーザについて綿密な研究を行った。パターン化されていないファセットを伴う元々のデバイス（図４０）は、それぞれ、横方向においてθ‖＝４２度、垂直方向においてθ⊥＝７４度の発散角度を有した（図４１）。代表の埋め込みヘテロ構造量子カスケードレーザは、２０本の円形の溝および２．１×１．９μｍ２の開口を備える、プラズモニックコリメータでパターン化した（図４２）。パターン化されていないデバイスと比較して、２Ｄコリメータでパターン化したレーザは、大幅に低減した発散角度を呈し（図４３）、θ‖およびθ⊥は、３．７度および２．７度に等しく、元々のデバイスと比較して、横方向および垂直方向において、それぞれ、約１０〜３０倍の低減を表した。
【００５３】
プラズモニックコリメータは、単一のレーザ波長、例えばλ０＝８．０６μｍのために設計されているが、リングコリメータの設計は、レーザのスペクトル広がりに対してロバストである。例えば、最後の段落で論じられる、２０本の格子溝でパターン化したデバイスの場合、駆動電流Ｉｄｒ＝５００ｍＡにおいて、レーザスペクトル幅Δλは、ほぼ０．１μｍであり、Δλは、Ｉｄｒ＝６００ｍＡにおいて、約０．３μｍまで急速に増加する。測定した遠視野発散角度は、異なる駆動電流において比較的に安定することが分かった。例えば、Ｉｄｒ＝５００および６００ｍＡにおいて、それぞれ、θ⊥は、２．６および２．７度に等しく、一方で、θ‖は、３．７度にとどまる。
【００５４】
上述の横方向開口サイズｗ１（図６の定義を参照のこと）は、θ⊥、θ‖、およびパワー出力へのこのパラメータの影響を調査するために、集束イオンビームミリングを使用して段階的に増加させた。垂直開口サイズｗ２＝１．９μｍは、一定のままとした。デバイスのスロープ効率は、開口幅の増加とともに予想通りに増加し、より高い最大パワーに至った（図４４）。同時に、横方向発散角度θ‖が増加しても、θ⊥はほぼ一定であった（表２）。θ‖の挙動は、横方向開口サイズが増加するにつれて、表面プラズモンへの結合が効率的でなくなることによるものであった。この研究で調査した最も幅の広い開口（８．１μｍ）の場合、最大出力パワーは、パターン化されていないレーザの５０％超であったが、発散角度（θ⊥＝２．４度およびθ‖＝４．６度）は、それでも、元々のパターン化されていないデバイスと比較して、大幅に低減された。最大パワーおよび発散角度の横方向開口サイズｗ１への依存性を、表２に要約する。
【００５５】
【表２】
2011503664.tif 000004
リッジ量子カスケードレーザは、半絶縁性側部クラッド層の再成長を必要とする、埋め込みヘテロ構造量子カスケードレーザと比較して、容易に加工することができる。したがって、２Ｄプラズモニックコリメータが、リッジ導波管を伴うデバイスに対しても機能することを示せば有益である。２Ｄコリメーションは、図４５および４６に示されるように、λ０＝９．９μｍのリッジ量子カスケードレーザに関して、成功裏に実証された。λ＝８．０６μｍの埋め込みヘテロ構造デバイスに対する最適設計パラメータの簡単なスケーリングは、リッジデバイスに対して本質的に正しいパラメータを与えることが分かった。最適設計パラメータのリストを、表１に要約する。このデバイスの実験的な性能は、同じ数の溝を伴う埋め込みヘテロ構造デバイスで得られる性能に匹敵するものであった。リッジデバイスの発散角度は、１０本の格子溝を伴うデバイスについて、θ⊥＝５．０度およびθ‖＝８．１度であった。
【００５６】
結論として、系統的な実験およびシミュレーションは、好適に設計された１Ｄまたは２Ｄプラズモニックコリメータの量子カスケードレーザへの統合化が、１Ｄコリメーションに対する垂直方向、または２Ｄコリメーションに対する垂直方向および横方向の両方、のいずれかにおいて、ビームの発散角度を１０倍を超えて低減することを示している。最適化したデバイスは、パターン化されていないレーザの出力パワーに匹敵する、高い出力パワーを保つ。２Ｄプラズモニックコリメータの設計は、本明細書では、埋め込みヘテロ構造およびリッジデバイスの両方に適用できることを示す。
【００５７】
本発明の実施形態の説明では、明確にするために特定の専門用語を使用している。説明のために、各特定の用語は、少なくとも、同様の目的を達成するように、同様の様態で動作する全ての技術的および機能的同等物を含むことを意図している。加えて、本発明の特定の一実施形態が複数のシステム要素または方法ステップを含む、一部の事例では、それらの要素またはステップは、単一の要素またはステップに置き換えられ得る。同様に、単一の要素またはステップは、同じ目的で用いられる複数の要素またはステップに置き換えられ得る。さらに、本発明の実施形態について、本明細書で種々の特性のパラメータが指定されている場合、それらのパラメータは、特に明記しない限り、１／２０、１／１０、１／５、１／３、１／２等だけ、またはそれらの四捨五入した近似値だけ上下に調整することができる。さらに、本発明を、その特定の実施形態を参照して示し、説明してきたが、当業者は、本発明の範囲を逸脱しない範囲で、形態および詳細において種々の置換および改変が行われ得ることを理解されるであろう。さらに、他の側面、機能、および利点も本発明の範囲内である。加えて、一実施形態に関連して本明細書で論じられるステップ、要素、および特徴は、同様に、他の実施形態と連動して用いることができる。本出願の全体を通して引用される、特許および特許出願を含む、全ての参考文献の内容は、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。それらの参考文献の適切な構成要素および方法は、本発明およびその実施形態のために選択され得る。さらに、発明の背景の項で定義される構成要素および方法は、本開示に必要不可欠なものであり、本発明の範囲内で、本開示内の他の場所で説明される構成要素および方法と連動して用いること、またはそれと置換することができる。
【図１】
2011503664.tif 000005
【図２】
2011503664.tif 000006
【図３】
2011503664.tif 000007
【図４】
2011503664.tif 000008
【図５】
2011503664.tif 000009
【図６】
2011503664.tif 000010
【図８】
2011503664.tif 000011
【図９】
2011503664.tif 000012
【図１０】
2011503664.tif 000013
【図１１】
2011503664.tif 000014
【図１２】
2011503664.tif 000015
【図１３】
2011503664.tif 000016
【図１４】
2011503664.tif 000017
【図１５】
2011503664.tif 000018
【図１６】
2011503664.tif 000019
【図１７】
2011503664.tif 000020
【図１８】
2011503664.tif 000021
【図１９】
2011503664.tif 000022
【図２０】
2011503664.tif 000023
【図２２】
2011503664.tif 000024
【図２４】
2011503664.tif 000025
【図２６】
2011503664.tif 000026
【図２７】
2011503664.tif 000027
【図２９】
2011503664.tif 000028
【図３０】
2011503664.tif 000029
【図３２】
2011503664.tif 000030
【図３４】
2011503664.tif 000031
【図４２】
2011503664.tif 000032
【図４５】
2011503664.tif 000033
【図７】
2011503664.tif 000034
【図２１】
2011503664.tif 000035
【図２３】
2011503664.tif 000036
【図２５】
2011503664.tif 000037
【図２８】
2011503664.tif 000038
【図３１】
2011503664.tif 000039
【図３３】
2011503664.tif 000040
【図３５】
2011503664.tif 000041
【図３６】
2011503664.tif 000042
【図３７】
2011503664.tif 000043
【図３８】
2011503664.tif 000044
【図３９】
2011503664.tif 000045
【図４０】
2011503664.tif 000046
【図４１】
2011503664.tif 000047
【図４３】
2011503664.tif 000048
【図４４】
2011503664.tif 000049
【図４６】
2011503664.tif 000050
【国際調査報告】
2011503664.tif 000051