(57)【要約】半導体ウェハから分離される半導体レーザバーの複数の外部キャビティ半導体レーザチップを自動的に特徴付けるシステム及びプロセスである。前記システムは、回折格子をグレーティング角度範囲に亘って変化させながら回転させる回転ステージに取り付けられる回折格子と；前記回転ステージに取り付けられ、かつ前記回折格子の表面に直角に配向するステアリングミラーと；そしてレーザアナライザーと、そしてレーザバー位置決めステージと、を含む。前記位置決めステージを自動的に移動させて、前記ステージ上のレーザバーの各レーザチップを１回に１チップの割合で、前記回折格子に位置合わせすることにより、レーザバーのレーザチップから放出されるレーザビームの一部を、前記格子の１次回折により、同じレーザチップに戻るように反射して、レーザ発振波長をロックし、そして前記ステアリングミラーにより反射される前記レーザビームの残りの部分を前記レーザアナライザーが受光し、そして特徴付ける。各レーザチップに関して、前記回転ステージを自動的に回転させて前記回折格子を、前記レーザチップから放出される前記レーザビームに対して回折角度範囲に亘って変化させながら回転させ、そして前記レーザアナライザーは、各回折角度におけるスペクトルモード、パワーモード、または空間モードのようなレーザ光学特性を自動的に特徴付ける。
2014505997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハから分離される半導体バーの複数の外部キャビティ半導体レーザチップを特徴付けるシステムであって、該システムは：
（Ａ）外部キャビティモジュール（ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｃａｖｉｔｙ  ｍｏｄｕｌｅ：ＥＣモジュール）であって、
（１）回転軸を有する回転ステージと、
（２）前記回転ステージに取り付けられる回折格子と、
（３）前記回転ステージに、ステアリングミラーの表面が前記回折格子の表面に直角に配向するように取り付けられる前記ステアリングミラーと、
を含む、前記外部キャビティモジュールと、
（Ｂ）複数のレーザチップからなるバー（レーザバー）を保持するチャックであって、前記ＥＣモジュールが、前記チャックに隣接して配置されて、前記チャックに保持されるレーザバーのレーザチップから放出される光ビームが前記回折格子と交差し、１次回折ビームが前記回折格子によって反射されて前記レーザチップに戻ることにより前記レーザチップがレーザ発振し、そして前記レーザチップから放出されるレーザビームが前記回折格子及び前記ステアリングミラーによって出力ビームとして反射されるようになる、前記チャックと、
（Ｃ）前記チャック、または位置決めステージに取り付けられる前記ＥＣモジュールのうちの一方を有することにより、前記チャックまたは前記ＥＣモジュールのうちの前記一方を多軸に沿って並進移動させるコンピュータ制御多軸位置決めステージと、
（Ｄ）コンピュータ利用制御装置であって、該コンピュータ利用制御装置が：
（１）前記位置決めステージを自動的に移動させ、そして前記チャックに取り付けられるレーザバーのレーザチップを前記ＥＣモジュールに位置合わせし、そして
（２）位置合わせした前記レーザチップを作動させて、レーザビームを放出させる、前記コンピュータ利用制御装置と、
（Ｅ）前記ステアリングミラーに対向するように配置されて、前記出力ビームを受光し、そして特徴付けるレーザアナライザーと、
を備え、
前記コンピュータ利用制御装置は、信号群を前記レーザアナライザーから受信し、そして前記出力ビームを特徴付けることを特徴とする、
システム。
【請求項２】
前記チャックに対向する前記回折格子の表面は、該表面に形成される複数の平行回折溝を有し、そして前記回折格子は前記回転ステージに、前記回折溝群が前記回転軸に平行に配向するように取り付けられ、そして前記回折格子の前記表面により定義される平面と、前記ステアリングミラーの前記表面により定義される平面との交差線により定義される軸が前記回転軸に一致し、そして
前記制御装置は更に、前記回転軸を自動的に回転させて前記回折格子を、グレーティング角度範囲に亘って変化させながら回転させ、そして信号群を前記レーザアナライザーから受信して、選択グレーティング角度における前記出力ビームを特徴付ける、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記チャックは導電性材料により形成され、そして前記システムは更に、前記チャックの温度を制御／維持する温度制御ユニットを備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
更に：
前記位置決めステージに取り付けられ、かつ前記制御装置によって制御されるプローブマニピュレータを備えることを特徴とし、
前記電子プローブは、前記位置決めステージに取り付けられて、前記制御装置によって制御されながら移動して、電流を前記レーザチップに供給するために前記チャックに保持されるテスト対象の前記レーザバーのレーザチップの上面と電気的に接触し、そして該上面との電気的な接触から解除され、
前記電子プローブは、前記プローブマニピュレータに取り付けられて、前記プローブの少なくとも１つの移動軸に沿って移動することにより、前記チャックに保持されるレーザバーの個々のレーザチップと当接し、そして個々のレーザチップとの当接から解除される、請求項１乃至３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記位置決めステージは高精度６軸並進ステージである、請求項１乃至３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項６】
半導体ウェハから分離される半導体バー（レーザバー）の複数の外部キャビティ半導体レーザチップを自動的に特徴付けるプロセスであって、該プロセスは：
（Ｂ）回折格子、及び前記回折格子の表面に直角に配向するように取り付けられるステアリングミラーにより形成される回折格子ユニットを提供するステップと、
（Ｃ）レーザバーを前記回折格子ユニットに位置合わせされるように自動的に位置決めするステップであって、チャックに保持されるレーザバーの選択レーザチップから放出される光ビームが、前記回折格子と交差し、１次回折ビームが前記回折格子によって反射されて前記選択レーザチップに戻ることにより前記選択レーザチップがレーザ発振するようになり、そして前記選択レーザチップから放出されるレーザビームが前記回折格子及び前記ステアリングミラーによって反射されて、安定な出力ビームが前記ステアリングミラーによって出力ビームとして反射されるようになる、前記位置決めするステップと、
（Ｄ）電流を前記選択レーザチップに供給して、前記選択レーザチップがレーザ発振するようにするステップと、
（Ｅ）前記出力ビームを特徴付けるステップと、
を含むことを特徴とする、プロセス。
【請求項７】
ステップ（Ｅ）は更に：
（Ｅ１）漸増電流を前記選択レーザチップに、前記選択レーザチップがレーザ発振するまで供給し、そして前記選択レーザチップがレーザ発振する電流を、前記選択レーザチップの閾値電流として求めるステップ、または
（Ｅ２）電流を前記選択レーザチップに供給して、前記選択レーザチップがレーザ発振するようにし、そして前記出力ビームの波長を求めるステップ、
のうちの１つ以上のステップを含むことを特徴とする、請求項６に記載のプロセス。
【請求項８】
ステップ（Ｅ）は更に：
前記回折格子ユニットを自動的に回転させて、前記回折格子を、グレーティング角度範囲Θ１〜Θｎに亘って変化させながら回転させるステップ、及びステップ（Ｅ１）またはステップ（Ｅ２）のうちの１つ以上のステップを、各選択グレーティング角度Θ１〜Θｎにおいて実施するステップを含むことを特徴とする、請求項７に記載のプロセス。
【請求項９】
ステップ（Ｅ）の後に更に：
（Ｆ）前記レーザバーを、前記回折格子ユニットに対して移動させて、前記レーザバーの前記レーザチップ群のうちの次の選択レーザチップが前記回折格子ユニットに位置合わせされるようにし、そしてステップ（Ｅ）を前記次の選択レーザチップに対して実施するステップと、
（Ｇ）ステップ（Ｆ）を、前記レーザバーの前記レーザチップ群の全レーザチップのうちの１つのレーザチップを特徴付けるか、または前記レーザバーのレーザチップ群の選択グループを特徴付けるまで繰り返すステップと、
を含むことを特徴とする、請求項６乃至８の何れか一項に記載のプロセス。
【請求項１０】
ステップ（Ｅ）では、前記回折格子ユニットを回転軸の回りを回転させ、そして前記回折格子ユニットを、（ａ）前記回折格子ユニットの前記回折格子の方位を調整して、前記回折格子の表面に形成される複数の平行回折溝が、前記回転軸に平行に配向するようにすることにより、そして（ｂ）前記回折格子の前記表面により定義される平面と、前記ステアリングミラーの表面により定義される平面との交差線により定義される軸を、該軸が前記回転軸に一致するように配向させることにより事前に位置合わせすることを特徴とする、請求項６に記載のプロセス。
【請求項１１】
ステップ（Ｃ）では：
選択レーザチップを前記回折格子ユニットに、事前に概略位置合わせし、
前記チャックまたは前記回折格子ユニットのうちの一方を、特定の運動範囲内で、水平に、そして垂直に自動的に並進移動させ、
前記出力ビームのパワーをモニタリングし、そして前記出力ビームの前記パワーが最大になる前記位置決めステージの位置を、前記選択レーザチップの位置合わせ位置として特定することを特徴とする、請求項６又は１０の何れか一項に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１０年１２月２日に出願された米国仮特許出願第６１／４１９，０４２号の優先権の利益を米国特許法第１１９条に基づいて主張するものであり、この仮特許出願の内容は、本明細書で参照することにより、当該出願の内容全体が援用され、そして本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、半導体レーザを特徴付けるシステム及びプロセスに関するものであり、特に外部キャビティ半導体レーザを特徴付けるシステム及びプロセスに関するものであり、更に具体的には、各個々のチップをバーから分離し、そして取り付ける前にレーザチップバーの各外部キャビティ半導体レーザチップを自動的にテストし、そして特徴付けるシステム及びプロセスに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）はユニポーラ半導体レーザの一種であり、このユニポーラ半導体レーザは、主として中間赤外線（ＭＩＲ）波長領域、及び遠赤外線（ＦＩＲ）波長領域、例えば約３μｍ〜約１５μｍの波長領域の光を放出する。外部キャビティ量子カスケードレーザ（ＥＣ−ＱＣＬ）は、量子カスケードゲインブロック（例えば、反射防止コーティングを１つの端面に施したレーザチップ）及び外部キャビティを組み合わせたレーザシステムである。外部キャビティは通常、コリメーションレンズと、そしてミラー回折格子（または、単なる回折格子）と、を含む。波長可変の外部キャビティ半導体ダイオードレーザに共通するＬｉｔｔｒｏｗ（リトロー）構成では、量子カスケードゲインブロックから放出される光は、回折格子によって１次回折において元のビーム経路に沿って戻る方向に反射され、そして量子カスケードゲインブロックに戻ってレーザ発振を行なう。このようなレーザシステムは通常、レーザシステムが単一波長でレーザ発振することができるように注意深く設計され、この単一波長は、ミラー回折格子のグレーティング角度（ｌｉｔｔｒｏｗ角）により決定される。グレーティング角度は、回折格子の法線方向に延びる軸と量子カスケードゲインブロックから放出される光ビームの経路の軸とがなす角度である。回折格子が回転する、または回動すると、グレーティング角度が変化し、そしてＥＣ−ＱＣＬが生成するレーザビームのレーザ発振波長も変化する。従って、ＥＣ−ＱＣＬレーザシステムのレーザ発振波長は、特定の波長領域に収まるように、ミラー回折格子を回転させることにより可変することができる。レーザ発振波長を可変とすることができる波長範囲は、量子カスケードゲインブロックのゲインプロファイル、ゲインブロックの端面の反射防止（ＡＲ）コーティング、ゲインブロックと外部キャビティとの間の結合効率、及びミラー回折格子の１次回折の反射率のようなパラメータ群により決定される。
【０００４】
ＥＣ−ＱＣＬ（外部キャビティ量子カスケードレーザ）は、単一周波数の中間ＩＲ放射線のスペクトルを非常に広い範囲で可変とし、これは、中間ＩＲ分光法及び分子検出法において極めて多くの応用形態を有する。レーザの波長可変範囲及び電気特性の特徴付けのような、ＥＣ−ＱＣＬゲイン媒質パラメータの特徴付け、及び最適化は、ＥＣ−ＱＣＬ開発及び設計における最も重要な役割のうちの１つの役割を果たす。ＥＣ−ＱＣＬ構成のＱＣＬゲイン媒質を形成し、特徴付け、そして選択する従来の方法は、幾つかの段階、すなわち：１）ウェハを設計し、成長させ、そして処理する段階、２）ウェハを劈開し、そして分離してＥＣ−ＱＣＬ個片チップ群にする段階、３）チップをダイボンディング／マウントする段階、４）チップの劈開面にコーティングを施す（一度に一つずつ）段階、５）個々のＥＣ−ＱＣＬチップをテストし、特徴付け、そして最適なゲイン媒質を選択する段階を必要とする。段階＃１は普通、最良の工業規格に合わせて最適化されているが、段階＃２〜段階＃５のプロセスは通常、手作業で行なわれ、そして大量の工業生産環境及び研究開発環境で実施するのは難しい。各個々のＥＣ−ＱＣＬチップを分離し、マウントし、テストし、そして特徴付ける際に、レーザ−キャビティの複雑な位置合わせを行なうために極めて多大な時間及び高い専門技術を持つ作業者を必要とする。従って、レーザチップの特徴付けは、多大なコスト、多大な時間、及び多大な工数を要するプロセスである。ＥＣ−ＱＣＬ（外部キャビティ量子カスケードレーザ）及び他の種類の外部キャビティ（ＥＣ）レーザチップを、上に説明した段階＃２〜段階＃５のうちの１つ以上の段階の前のような最も早い製造段階でテストし、そして特徴付けるプロセス及びシステムが必要であり、このプロセス及びシステムによって、段階＃２〜段階＃５に要する無駄な時間及び工数を無くし、そしてレーザテスト及び特徴付けプロセスを更に効率化し、そして当該プロセスのコスト効率を高める必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書において記載される１つの実施形態は、反射防止膜（ＡＲ）及び／又は高反射膜（ＨＲ）コーティング外部キャビティレーザバー（ＱＣ（量子井戸を多段接続した構成の）４０個のゲインブロックを有する）の完全自動テスティング及び特徴付けを、これらのレーザバーを分離して個々のレーザチップ群／ダイオード群とする前に行なうシステム及びプロセスを提供する。当該実施形態のシステム及びプロセスによって、波長可変プロセス中にビームステアリングを行なうことなく、かつウォークオフ（ｗａｌｋ−ｏｆｆ：基本波と第二高調波との間の角度ずれ）が起こることなく出力レーザビームの光軸を確実に安定させることができる。当該実施形態のシステム及びプロセスによって更に、レーザキャビティの位置合わせ、及び／又は特徴付けが正確かつ自動的に行なわれる安定な外部キャビティ設計が可能になる。接近を１回だけ量子カスケードレーザチップの１つの劈開面に対してのみ行なうだけで、第２コリメートレンズを位置合わせして出力レーザを放射する際の複雑さを回避することができ、これは、量子カスケードレーザが異なる波長の導波路を有する場合に、特に有利である。
【０００６】
更に別の特徴及び利点は、以下の詳細な説明に開示され、そしてかなりの程度、この技術分野の当業者であれば、当該説明から容易に理解することができる、または以下の詳細な説明、請求項だけでなく、添付の図面を含む、本明細書において記載される実施形態を実施することにより容易に理解することができる。
【０００７】
これまでの概要説明、及び以下の詳細な説明は共に、単なる例示に過ぎず、そして請求項の本質及び特徴を理解するための概要または概略を提供するために利用される。添付の図面は、理解を更に深めるために取り込まれ、そして本明細書の一部に組み込まれ、かつ本明細書の一部を構成する。これらの図面は、１つ以上の実施形態（群）を示し、そして説明と併せて、種々の実施形態の原理及び動作を説明するために利用される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】複数行のＱＣＬチップがウェハに形成されている状態のウェハから切り出されるＱＣＬレーザチップバーの斜視模式図である。
【図２】本発明の実施形態によるレーザバーテスティング及び特徴付けシステムの１つの実施形態の模式図である。
【図３】図２のレーザバーテスティング及び特徴付けシステムの機能ブロック図である。
【図４】図２及び３のシステムに使用されるレーザバー真空チャック固定具の１つの実施形態の斜視模式図である。
【図５】図２及び３のシステムに使用される外部キャビティモジュール（ＥＣモジュール）の１つの実施形態の模式図である。
【図６】図５のＥＣモジュールの回転ステージ上の回折格子及びステアリングミラーを位置合わせする様子を示す模式図である。
【図７】回折格子を、図５のＥＣモジュールの回転ステージの回転軸に位置合わせする様子を示す模式図である。
【図８】コリメートレンズを、図５のＥＣモジュールの回折格子及び回転ステージに位置合わせする様子を示す模式図である。
【図９】ＱＣＬチップを、図５のＥＣモジュールのコリメートレンズに位置合わせする様子を示す模式図である。
【図１０】図５のＥＣモジュールのグレーティング角度の回折格子を、図２及び３のシステムのレーザチップからのビームに位置合わせする様子を示す模式図である。
【図１１】図２及び３のシステムにより特徴付けられる３．５μｍで動作するＥＣ−ＱＣＬチップのＥＣスペクトル可変特性及び閾値電流スペクトルを示すプロットである。
【図１２】図２及び３のシステムにより特徴付けられる同じバーの選択ＥＣ−ＱＣＬチップ群の閾値電流対グレーティング角度の関係を示すプロットである。
【図１３】図２及び３のシステムにより特徴付けられる同じバーの選択量子カスケードレーザ群の波長可変スペクトルを示す一連のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、好適な本実施形態（群）を更に詳細に参照することとし、これらの実施形態の例が添付の図面に示される。可能な限り、同じ参照番号をこれらの図面全体を通じて用いて、同じ、または同様の構成要素を指すようにしている。
【００１０】
本開示は、半導体ウェハから切り出されるレーザチップバーの複数のレーザチップを、これらのレーザチップを分離して個々のレーザチップとする前に、または個々のチップをマウントして、次のハンドリング、またはテスト及び特徴付けを行なう前に、自動的に位置合わせし、テストし、そして特徴付けるシステム及びプロセスを提供する。図１に模式的に示すように、半導体ウェハ１０は、当該ウェハに複数行に形成される複数のレーザチップ３を有する。図１に示すように、ウェハ１０を劈開して、個々の行のレーザチップをウェハから分離する、すなわちウェハ上に配列される複数のレーザチップ３を有する個々の半導体材料バー群１（「レーザバー群」）をウェハから分離する。これらのレーザチップは、例えばこれらのレーザバー１の長さに沿って平行に配列される４０個のＱＣＬファブリ−ペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）キャビティ導波路レーザチップまたはゲインブロックとすることができる。レーザバー１の一方の側面の劈開面５には、導波路の一方の端部に施される高反射率（ＨＲ）コーティングを設けることができ、そしてレーザバーの他方の側面の劈開面７には、導波路の他方の端部に施される（ＡＲ）コーティングを設けることができる。コーティング前のチップは、本明細書において記載されるシステム及びプロセスによりテストすることもできる。
【００１１】
次に、レーザバー１の半導体レーザチップ群３を自動的に位置合わせし、テストし、そして特徴付けるシステムの１つの実施形態について、図２及び３を参照しながら説明する。当該システムの１つの実施形態によるレーザを特徴付けるシステムは、レーザバー位置決めステージモジュール（ＰＳモジュール）１００と、そして外部キャビティモジュール（ＥＣモジュール）２００と、を含む。ＰＳモジュール１００は、レーザバー１を外部キャビティ（ＥＣ）モジュール２００に対して制御性良く移動させて、レーザチップ群３を一つずつＥＣモジュールに位置合わせするように構成される。ＥＣモジュールが今度は、回折格子２１０を制御性良くＰＳモジュールのレーザチップ群に対して回転または回動させるように構成される。コリメートレンズ２１２をＰＳモジュール１００とＥＣモジュールとの間に配置して、ＥＣモジュールに位置合わせされたレーザチップ３から放出される光Ｌを平行にし、そしてコリメート光ビームＢ１を回折格子２１０に集光させる。コリメートレンズは、ＥＣモジュール２００の事前位置合わせ部分とすることができる。コリメートレンズ２１２は、ＡＲコーティングを施した高速（ｆ値：ｆ＃≦１）非球面レンズとすることができ、この非球面レンズは、補正して球面収差を無くすようにし、特に広発散角ビームを校正するように設計される。一例に過ぎないが、コリメートレンズ２１２は、１インチの直径を有し、かつＦ値がｆ／０．６であるＧｅ，ＡＲ（ゲルマニウム反射防止）コーティングレンズとすることができ、このレンズは、３〜１２μｍの波長に対応して設計される。コリメートレンズは、直線運動を可能にするこの技術分野で公知の従来の３Ｄ並進ステージのような並進ステージまたはレンズアライメントモジュールに取り付けることができる。ステージには、レンズ２１２を必要に応じて位置決めしてレーザを光学的に位置合わせする遠隔制御圧電モータを設けることが好ましい。
【００１２】
全体システムは、当該システムの１つの実施形態では、真空気密ハウジング（図示せず）内に密封することができるので、コリメートレンズ２１２を位置合わせする最も簡単な方法では、自動可動ステージ２３８または他のレンズ位置決め機構を用いる。コリメートレンズがハウジングの内部に位置しない実施形態では、手動調整を含む他のモードの調整を行なうことができる。
【００１３】
当該モジュールの１つの実施形態によれば、ＰＳモジュール１００は、真空チャック１１０と、位置決めステージ１２０と、そして電子プローブ１３０と、を含むことができる。真空チャック１１０は、位置決めステージ１２０の上部に取り付けられて、特徴付けされるレーザバー１を位置決めステージ１２０に正確にマウントする。図４に示すように、１行に配置される真空孔１１２が真空チャックの平坦上面１１３に設けられ、そしてＥＣモジュール２００に対向する真空チャックの辺部に平行であり、かつ隣接するレーザバーマウントマウントステーションを構成する。空気をこれらの真空孔を通って排気して、マウントステーションに配置されるレーザバー１の底面（例えば、これらの真空孔の上のチャックの上面）に作用する吸引力を発生させることにより、レーザバーをチャック上のマウントステーションの所定の位置に固定することができる。高精度に設けられる一対の位置合わせ当接部１１５，１１６、及び高精度に設けられる位置決め当接部１１７は、真空チャックの上面から上方に延出する。位置合わせ当接部１１５，１１６は、レーザバー１のＡＲコーティング端面７の両側端部に当接して、レーザバー１を位置決めステージ１２０及びＥＣモジュールに対して事前に位置合わせする。位置決め当接部１１７は、レーザバーの一方の端部に当接して、レーザバーをチャック１１０上で、走査方向に並ぶように事前に位置決めする。これらの位置合わせ当接部は平板として図示されているが、これらの位置合わせ当接部はピンまたは他の構造とすることができることが理解できるであろう。同様に、位置決め当接部１１７はピンとして図示されているが、平板または他の構造とすることができる。別の構成として、位置合わせ当接部及び位置決め当接部の代わりに、高精度に形成され、かつ配置される位置決めスロットを、チャックの上面に高精度に形成して、レーザバーを位置決めステージに収容し、当該ステージ上で位置合わせし、そして位置決めすることができる。この場合、１行に配置される真空孔１１２は、位置決めスロットの底部に設けることになる。真空チャック１１０は、銅のような導電性材料により形成することができ、そして熱電クーラ（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｏｌｅｒ：ＴＥＣ）モジュール１５０により温度制御されて、レーザバー１を冷却し、そしてレーザバーを略一定の温度に保持することができる。別の構成として、冷蔵庫のような冷却ユニットからの冷却流体を、ＴＥＣの代わりに、チャック内に配設されるクーラント流路内を循環させることができる。
【００１４】
位置決めステージ１２０は、コンピュータまたは制御装置１６０に接続されて、位置決めステージの運動を正確に制御し、そしてレーザバーの個々のレーザチップ３をＥＣモジュールに自動的に位置合わせして、自動的にテストし、そして特徴付ける。例えば、位置決めステージ１２０は、高精度６軸並進ステージ、例えばドイツ国フィジークインストルメンテ（Ｐｈｙｓｉｋ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ（ＰＩ）ＧｍｂＨ）社が販売するＰＩ  Ｆ−２０６．Ｓ  ＨｅｘＡｌｉｇｎ（商標）のような６軸６自由度ステージとすることができる。６軸６自由度位置決めステージは、レーザバー１の正確な並進移動及び回転を可能にして、ＥＣモジュール２００に対するレーザバー１の個々のレーザチップ３の再現可能な位置決め、及び位置合わせを行なう。
【００１５】
電子プローブ１３０は、位置決めステージ１２０（または、チャック１１０）に、モータ駆動プローブマニピュレータ１３２により取り付けられる。プローブマニピュレータ１３２は、制御装置１６０により制御されて、電子プローブ１３０を自動的に移動させて、レーザバー１のレーザチップ３に上部から電気的に接触させ、そしてレーザチップ３との当該接触を解除し、このレーザチップ３がＥＣモジュール２００に位置合わせされて、当該レーザチップを作動させる。当該レーザチップは、導電性真空チャック１１０を介して電気的に接地される。別の構成として、電気的接触部をマウントステーションの真空チャックの上面１１３に設けることにより、レーザバーのレーザチップ群に接触させ、そしてレーザチップ群を接地することができる。電子プローブ１３０は、当該ステージに、１つ以上のモータ駆動マイクロステージを介して取り付けることができるので、当該プローブを自動的に移動させてレーザバーの各個々のレーザチップに接触させ、そしてレーザチップとの当該接触を解除することができる。例えば、電子プローブは、２つのモータ駆動マイクロステージに取り付けることができ、一方のマイクロステージは、水平方向ｘに、レーザバーに沿ってレーザチップごとに移動することができ、そしてもう一つのマイクロステージは、垂直方向ｚに移動して、選択レーザチップとの当接を行ない、そして当該レーザチップとの当接を解除する。例えば、プローブマニピュレータは、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ，  Ｉｎｃ．（ナショナルアパーチャ社）が販売する２つのＭＭ−３Ｍモータ駆動Ｍｉｃｒｏ−Ｍｉｎｉ（商標）ステージを含むことができる。プローブマニピュレータは、位置決めステージ１２０に、真空チャック１１０と同一の場所に配置されるので、電子プローブ１３０は、位置決めステージ１２０を移動させてレーザチップ３をＥＣモジュール２００に位置合わせするときに、レーザバー１に合わせて真空チャック１１０上を移動する。
【００１６】
当該外部キャビティモジュールの１つの実施形態による外部キャビティ（「ＥＣ」）モジュール２００を図２，３，及び５に模式的に示す。ＥＣモジュール２００は、回折格子２１０と、そして回転ステージ２３０に事前に位置合わせされて回折格子ユニットを形成するビームステアリングミラー２２０と、を含む。回折格子２１０及びビームステアリングミラー２２０は、互いに対して直角になるように、垂直配向回転ステージ２３０に取り付けられる。回転ステージ２３０は、回折格子２１０及びビームステアリングミラー２２０を、マウントステーションの真空チャック１１０にマウントされるレーザバーのテスト対象のレーザチップに対して回転させる水平回転軸２３２を有する。回折格子２１０及びビームステアリングミラー２２０は、互いに対して直角になるように取り付けられるので、出力ビームＢ２は、当該ビームの光路に沿ってほぼそのまま通過し、そして特徴付けを行なっている間に回折格子が回転しているときに、出力ビームＢ２に「ウォークオフ（ｗａｌｋ−ｏｆｆ：基本波と第二高調波との間の角度ずれ）」が起きることがない。
【００１７】
レーザアナライザー１４０を配置して、出力ビームＢ２を受光し、そして分析し、そしてビームの空間分布をプロファイリングする。レーザアナライザー１４０は、レーザチップ群のスペクトルを特徴付けるフーリェ変換赤外線分光器（ＦＴＩＲ）とするか、または格子分光器、Ｍ２（ビーム品質）測定システム、簡易電力計、偏光計、ユーザニーズに基づく干渉計のような他の任意の光学試験機器とすることができる。アナライザが検出する光信号は、ロックインアンプ１７０で復調して、雑音除去率を高めることができる。
【００１８】
回折格子２１０は、適切な分解能及び分解効率を有する任意の適切な反射格子とすることができ、この反射格子として、これには限定されないが、所望の波長領域に対応するように断面がのこぎり波状の溝をもつ機械切り反射回折格子を挙げることができる。適切な格子の例が、５．４μｍの波長に対応し、かつ１ｍｍあたり３００本の溝を切った（３００／ｍｍ）、断面がのこぎり波状の溝をもつ機械切り回折格子である。同様に、ステアリングミラー２２０は、任意の適切な反射面を含むことができ、これらには限定されないが、広範な波長領域内で高い反射率を実現することができる金、銀、またはアルミニウムコーティングミラーを含む。
【００１９】
回転ステージは、支持フレーム２３４に取り付けることができ、そして当該支持フレームは、カラム（図５には示さず）または他の支持構造にＺ方向に垂直に調整可能に取り付けることができる。回転ステージ２３０は、支持フレーム２３４に傾斜ステージ２４０を介して取り付けることにより、回転ステージ２３０の水平方向傾斜度を調整することができるので、真空チャック１１０に取り付けられるテスト対象のレーザチップに対する回折格子２１０及びビームステアリングミラー２２０の傾斜を調整することができる。傾斜ステージの回動軸は、グレーティング回転ステージ２３０の回転軸と直交させる必要がある。コリメートレンズは、支持フレーム２３４から延出するアーム２３６にレンズ位置決め機構２３８を介して取り付けることができるので、当該コリメートレンズを、真空チャック１１０に取り付けられるテスト対象のレーザチップ３と回折格子２１０との間に正確に位置させることができる。ステッパーモータのような適切な駆動装置を用いて、回転ステージ２３２及び傾斜ステージ２４０を回転させることにより、以下に更に詳細に説明するように、ＥＣモジュールを位置合わせすることができ、そして支持フレーム２３４がカラム上を制御装置１６０による自動制御の下に、または手動制御の下に移動するようにすることができる。
【００２０】
外部キャビティレーザには外部キャビティの多くの調整自由度がある。ＥＣモジュール２００をレーザバー１のレーザチップ群３に確実に位置合わせし、そしてＥＣモジュールをチップ群３の全波長可変範囲に亘って動作するように確実に良好に結合させるために、ＥＣモジュールの構成要素群は、細心の注意を払って事前に位置合わせされる必要がある。コリメートレンズがＥＣモジュールの一部であるＥＣモジュールの種々の実施形態では、以下のＥＣモジュールの事前位置合わせ要求を満たす必要がある。
【００２１】
第１のＥＣモジュールの事前位置合わせ要求。図７に示すように、回折格子２１０を回転ステージ２３０に取り付けて、回折格子２１０のこれらの溝２４２を、回転ステージ２３０の回転軸２３２（または、回転軸２３２）に平行になるように位置合わせする必要がある。この要求を満たさない場合、反射回折ビームは、回折格子が回転すると、レーザ光軸に一致しなくなる。
【００２２】
第２のＥＣモジュールの事前位置合わせ要求。図２及び６に示すように、回折格子２１０及びビームステアリングミラー２２０を回転ステージ２３０に取り付けて、回折格子２１０及びビームステアリングミラー２２０の表面で定義される２つの平面を、互いに直角となるように配向させ、そしてこれらの２つの平面の交差線が、回転ステージ２３０の回転軸２３２に一致するようにする必要がある。この要求を満たさない場合、出力ビームＢ２には、波長の特徴付けプロセス中に回折格子を回転させると「ウォークオフ」が起こる。
【００２３】
第３のＥＣモジュールの事前位置合わせ要求。図８に示すように、傾斜ステージ２４０の向き、及び／又はコリメートレンズ２１０の位置を調整して、回転軸２３２をコリメートレンズ２１０の軸２４４（レンズ軸２１２）に直角に配向させる必要がある。この要求を満たさない場合、特徴付け対象のレーザチップ３に戻る方向に反射される回折ビームには、回折格子が波長の特徴付けプロセス中に回転すると「ウォークオフ」が起こってしまい、これにより、ＥＣをレーザチップ３に結合させる効率が低下する。
【００２４】
一旦、ＥＣモジュールの事前位置合わせ要求が満たされると、ＥＣモジュールの構成要素群の位置合わせ状態が、永久に固定されるので、ＥＣモジュールは、正しく位置合わせされた状態を保持して、レーザを将来時点で特徴付けることができる。
【００２５】
そのように未だ取り付けられていない場合、位置合わせ対象のＥＣモジュールは、この時点で、カラムまたは他の支持構造（図示せず）に取り付けられて、ＥＣモジュールがＰＳモジュールに隣接し、かつ対向するようになる。反射回折ビームが、特徴付け対象のレーザチップ３のレーザ導波路／ゲインブロックに戻る方向に進んでレーザ導波路／ゲインブロックに強く結合してレーザ発振を行なえるようにするためには、２つのＥＣモジュール−ＰＣモジュール位置合わせ要求を満たす必要がある。
【００２６】
第１のＥＣモジュール−ＰＣモジュールの位置合わせ要求。図９に示すように、位置決めステージ１２０の位置及び向き、及び／又はカラム上のＥＣモジュール２００の垂直方向位置を調整して、レーザバーの第１端部の特徴付け対象の第１レーザチップ３から放出される光ビームの軸２４８（または、簡単に、ビーム軸２４８）が、コリメートレンズのレンズ軸２４４に位置合わせされ、そして一致する必要がある。
【００２７】
第２のＥＣモジュール−ＰＣモジュール位置合わせ要求。図１０に示すように、回転ステージを調整して、そして／または回転させて、回折格子２１０の表面を、光ビームＢ１に対して、当該ビームがグレーティング角度またはリトロー角Θで回折するように配向させる必要がある。第１及び第２のＥＣモジュール−ＰＣモジュール位置合わせ要求またはステップでは、システムがまず、特定のレーザバー構成になるように初期化される場合に、手動で事前位置合わせを行なう必要がある。
【００２８】
レーザバー１のチップ群３を、当該プロセスの１つの実施形態によるプロセスにおいて特徴付けるために、ＥＣモジュールの構成要素群を事前に位置合わせし、そしてＥＣモジュールをＰＳモジュールに、上に説明したように事前に位置合わせする。当該システムは、この時点で、レーザバーのレーザチップ群を特徴付ける前に自動位置合わせされる状態になる。システムを自動化するために、まず、電子プローブ１３０を位置合わせ当接部１１５，１１６、及び位置決め当接部１１７にまで移動させ、そしてこれらの当接部から離れるように移動させる。次に、レーザバー１を、真空チャック１１０の上面１１３のマウントステーションに、レーザバーのＡＲコーティング面７が位置合わせ当接部１１５，１１６に接触し、かつレーザバーの端部が位置決め当接部１１７に接触するように配置する。レーザバーのサイズ及び種類が制御装置に入力され、この制御装置は事前にプログラムされているので、レーザバーのレーザチップ群を自動的に位置決めし、位置合わせし、そして分析することができる。レーザバー１は、例えば４０個のＥＣ−ＱＣＬレーザチップ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，．．．Ｃ４０）から成るバーとすることができる。システム、及び当該システムのプロセスを用いて、他の種類のレーザをテストし、そして特徴付けることができることを理解できるであろう。真空チャックの真空引きが、未だ行なわれていない場合、真空引きをこの時点で行なって、レーザバーを真空チャック上の所定の位置に保持する。グレーティング角度Θの所望の範囲、すなわち最小グレーティング角度及び最大グレーティング角度、及び特徴付け対象のグレーティング角度Θ１，Θ２，．．．Θｎのインクリメント数ｎを更に制御装置に入力する。テスト対象のグレーティング角度Θの範囲は、レーザチップゲインプロファイルの幅によって決定される。例えば、レーザ波長可変範囲が４．５μｍ〜４．７μｍである場合、テスト対象のグレーティング角度の範囲は、Ｂｒａｇｇ（ブラッグ）方程式から約２度〜３度として計算することができる。テスト対象のグレーティング角度Θのインクリメント数ｎは、対応可能な最大合計特徴付け時間に基づいて選択することができる。例えば、当該インクリメント数ｎは、１５または２０に設定することができる。
【００２９】
制御ソフトウェアは、各レーザチップ３を実際に特徴付ける前に、自動位置合わせ手順を実行して、各レーザチップＣ１，Ｃ２，Ｃ３，．．．Ｃｎに関する最適な外部キャビティ結合位置、及び位置合わせ状態を求めるように設計することができる。ＥＣモジュール及びＰＣモジュールの事前位置合わせを行なっている間に未だ行なわれていない場合、制御装置は、回転ステージ２３０を回転させて、回折格子２１０の方位を調整することにより回折格子２１０の角度をグレーティング角度Θとし、そして位置決めステージを並進移動及び回転させて、第１レーザチップＣ１を回折格子２１０に対向するように配置し、そして回折格子２１０に位置合わせする。制御装置は更に、電子プローブ１３０を移動させて、レーザバー１の第１レーザチップ３Ｃ１に接触させる。次に、制御装置は第１レーザチップＣ１をパルスモードで動作させて、第１レーザチップＣ１を作動状態にする。光信号または出力ビームＢ２をレーザアナライザー１４０が検出する。レーザアナライザーを用いて、ビームの空間分布をプロファイリングすることができる。レーザアナライザーは、ロックインアンプ１７０により復調を行なうことができる。出力ビームＢ２の屈折力に比例する分光器のロックイン出力は、制御装置１６０にフィードバックされて、位置決めステージ１２０を制御装置によって自動的に移動させることにより自動位置合わせが行なわれる。
【００３０】
ＥＣモジュールをＰＳモジュールに最終的に自動位置合わせして、第１レーザチップＣ１をＥＣモジュールに対して正確に位置決めし、そして配向させる操作は、次のようにして行なうことができる。制御装置は、放出ビームＢ２のパワーをレーザアナライザー１４０で監視している状態で、位置決めステージ１２０を所定の運動範囲内で並進移動させる、例えば通常、約＋／−２５μｍだけｘ及びｚ方向に、約５０μｍの合計並進移動範囲で並進移動させる。ユーザは更に、ビームコリメーション精度の自動調整を、位置決めステージ１２０をｙ方向に所定の運動範囲内で並進移動させると同時に、ｘ及びｚ自動位置合わせを各ｙ位置において行なうことにより実行するように選択することができる。この操作では、例えば通常、約＋／−１０μｍのｙ方向の並進移動を行なうことができる。制御装置は、第１レーザチップからの放出ビームＢ２のパワーが最大になる位置決めステージ１２０の位置をメモリに、第１レーザチップＣ１に対応する位置合わせ位置として記録する。
【００３１】
一旦、第１レーザチップＣ１が最適に位置合わせされると、当該システムは、第１レーザチップＣ１をテストし、そして特徴付ける操作を開始する状態になる。しかしながら、当該システムはまず任意であるが、残りのレーザチップＣ２，Ｃ３，．．．Ｃｎの各々に対応する事前位置合わせ位置を自動的に求めることができる。残りのレーザチップ群の各々に対応する事前位置合わせ位置を求めるために、制御装置は、電子プローブを非作動状態にし、電子プローブをレーザバーから後退させ、そして位置決めステージを移動させて、レーザチップＣｎを、当該チップＣｎがＥＣモジュールに事前位置合わせされるように位置決めする。次に、制御装置は、レーザチップＣｎをパルスモードで動作させ、そして位置決めステージ１２０を前に説明した通りに並進移動させて、最後のレーザチップＣｎをＥＣモジュールに対して正確に位置決めし、そして位置合わせし、そして最後のレーザチップＣｎに対応して最適に位置合わせされる位置を制御装置のメモリに保存する。一旦、バーの両端の最初及び最後のレーザチップに対応して最適に位置合わせされる位置を求め、そしてメモリに保存すると、バーの他のレーザチップ群の全てに関して事前位置合わせされる位置を、制御装置により計算し、そしてメモリに保存する。レーザバーの方位は、最初及び最後のレーザチップについて求めた最適位置に基づいて調整することができる。この情報により、当該システムは、レーザバーの各個々のレーザチップを特徴付ける操作を開始する状態となる。
【００３２】
当該システムの事前位置合わせ、及び位置合わせ、例えばレーザバーの最初及び最後のレーザチップの位置決め、及びＰＳモジュールの最終位置合わせは全て、自動的に行なうことができる。別の構成として、初期化プロセスを高速に行なうために、事前位置合わせは、位置決めステージにより、最初のレーザチップＣ１、及び最後のレーザチップＣｎをＥＣモジュールに手動で事前に位置合わせすることにより手動で行なうことができ、この場合、制御装置は、ＥＣモジュールに対する最初及び最後のレーザチップの最後の正確な事前位置合わせを行ない、そしてこれらのチップの位置をメモリに保存する。
【００３３】
これらのレーザチップの各々の位置を求め、そしてメモリに保存すると、当該システムは、この時点で、レーザバーの各個々のレーザチップを特徴付ける操作を開始する状態となる。各レーザチップのテスト及び特徴付けは、次のようにして行なわれる。制御装置は、位置決めステージ１２０を、第１レーザチップＣ１について位置合わせされた位置に並進移動させて、第１レーザチップをＥＣモジュールに位置合わせする。次に、制御装置は、電子プローブ１３０を移動させてレーザバー１の第１レーザチップＣ１に接触させる。次に、制御装置は、第１レーザチップＣ１をパルスモードで動作させて、第１レーザチップＣ１を作動状態にする。制御装置は再度、自動事前位置合わせ手順で説明したのと同じプロセスである自動最終位置合わせチェックを実行することにより、第１レーザチップをＥＣモジュールに正確に位置合わせする。次に、制御装置は、回転ステージ２３０を回転させて、回折格子２１０の方位を調整して、回折格子２１０の角度を最小グレーティング角度Θ、例えば４２．４５度のグレーティング角度として、４．５００μｍの波長で、かつ１ｍｍあたり３００本の格子溝を切った（３００／ｍｍ）状態でレーザ発振させ、そして第１レーザチップＣ１をパルスモードで動作させる。
【００３４】
まず、レーザチップに供給される電流を直線的に増加させて、レーザ発振に必要な閾値電流を求める。出力ビームが、光出力パワー読み取り値（ロックインアンプから取得される）を用いて誘導されると、供給電流がメモリに第１レーザチップＣ１に対応する閾値電流として保存される。出力ビームＢ２の光信号はレーザアナライザー１４０において検出され、そして分光器での復調は、ロックインアンプ１７０によって行なわれる。次に、出力ビームＢ２の波長を、レーザアナライザーによって求め、そしてメモリに、最小グレーティング角度Θ１における第１レーザチップの波長として記録する。次に、回折格子を第２グレーティング角度Θ２にまで徐々に回転させ、そして第２グレーティング角度Θ２における第１レーザチップＣ１に対応する出力ビームの閾値電流及び波長を同じようにして求め、そしてメモリに保存する。このプロセスを、Θ１からΘｎの各グレーティング角度について繰り返し、この場合、各グレーティング角度Θ１〜Θｎにおける第１レーザチップの閾値電流及び波長がメモリに保存される。
【００３５】
一旦、第１レーザチップが完全に特徴付けられると、電子プローブ１３０を第１レーザチップＣ１から引き上げ、そして制御装置は、位置決めステージを移動させて、第２レーザチップＣ２をＥＣモジュールに事前に位置合わせする。次に、電子プローブを移動させて第２レーザチップＣ２に接触させ、そして第２レーザチップを、第１レーザチップについて前に説明した同じ方法で、自動位置合わせし、そして特徴付け、そしてこれらのグレーティング角度の各グレーティング角度における第２レーザチップの閾値電流及び波長をメモリに保存する。位置合わせ及び特徴付けプロセスを、各レーザチップＣ１〜Ｃｎに対応して繰り返し、そしてこれらのグレーティング角度の各グレーティング角度における各レーザチップの閾値電流及び波長をメモリに保存する。
【００３６】
図１１は、個々のレーザチップについて検出される閾値電流（ドット群及び右側の縦軸で図示される）及び強度（縦棒及び左側の縦軸で図示される）を任意の単位で、波長または波数（水平軸）に対してプロットしたときの例示的なプロットである。図１２に示すように、特徴付けされたレーザチップ群に関する閾値電流は、グレーティング角度または波長に対してプロットすることができ、そしてこれらの閾値電流のプロット点を結んで、一連の閾値電流−波長曲線を形成する。図１２は、同じ導波路パラメータを持つレーザ群について選択される曲線のみを示している。波長可変範囲の外側に観察される一定の閾値電流は、外部キャビティモードレーザ発振のためのフィードバックが不十分であることを示している。Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ（ファブリ−ペロー：ＦＰ）モードでレーザ発振することが望ましいが、その理由は、ＦＰモードが、ゲインが最も高いゲイン曲線の中心で生じるので、より良好なフィードバックが行なわれるからである。プログラムでデータの全てを４つの異なるファイルに保存することができる。第１ファイルに、全ての測定パラメータ、及び全てのスペクトルを波長可変範囲内に含むスペクトルデータを各レーザチップに対応して保存する。第２ファイルに、レーザ閾値対グレーティング角度に関するデータを各レーザチップに対応して保存する。第３ファイルに、全てのＬＩ曲線を各レーザチップに対応して保存する。第４ファイルに、これらの位置合わせ位置を各レーザチップに対応して保存する。当該データは、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｅｘｃｅｌまたは同様のソフトウェアで分析し、そして操作することにより、将来時点で処理することができる。
【００３７】
図１３は、同じストライプ幅を有するレーザバーの選択レーザチップ群について、単一のレーザバーの内部の７個の４．６μｍ量子カスケードレーザを特徴付けたときの波長可変スペクトルを示している。レーザバーは、例えばＥＣ−ＱＣＬレーザバーとすることができ、このＥＣ−ＱＣＬレーザバーは、異なるストライプ幅をテストし、そして評価するために周期的にチップごとに選択ストライプ幅範囲で変化するストライプ幅を有する４０個のレーザから成る。各レーザチップの波長可変特性は、グレーティング角度に対する波長可変スペクトル群の変化、または閾値電流の変化の全てを用いて特徴付けることができる。例えば、波長可変スペクトル群の変化、または閾値電流の変化は、本明細書に記載の通りにプロットすることができる。
【００３８】
図１１に示すように、各縦棒の各レーザ発振スペクトルは、異なるグレーティング角度Θ１〜Θｎにおけるシングルモードレーザ発振に対応する。レーザ発振波長は、グレーティングミラーが回転するとシフトする（または、可変される）。レーザチップの波長可変特性は、最も広い波長範囲Θであり、この波長範囲Θでは、レーザは、シングルモードで発振することができ、最も広い波長範囲Θは、図１１のプロットの水平軸の最長レーザ発振波長及び最短レーザ発振波長の波長（または、波数）の差から求めることができる。例えば、図１１では、特徴付けされるレーザチップ＃２８の波長可変特性は、波数で表わす場合に約１２０ｃｍ−１（約２９００ｃｍ−１〜約２７８０ｃｍ−１）である。図１３のプロットは、レーザ＃１３の波長可変特性がレーザ＃３３の波長可変特性よりも大きいことを示している。レーザが外部キャビティモード（普通、シングルモード）で発振する場合、レーザ発振閾値は、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ（ＦＰ）モードで発振する閾値よりも小さい。
【００３９】
図１１に示すように、各黒色ドットは、各波長（または、異なるグレーティング角度）におけるレーザ発振閾値に対応している。スペクトルが同じｘ座標（波数）に図示されていない幾つかの黒色ドットがある。これは、レーザが、この波数／グレーティング角度においては、外部キャビティモードではなく、Ｆ−Ｐモードで発振することを意味し、これが、これらのドットが同じ高さに位置している理由である。レーザの波長可変範囲は、閾値電流がＦ−Ｐモードにおける閾値電流よりも小さい状態に対応する範囲に収まっている。従って、閾値電流のＴＩ曲線（グレーティング角度または波数／波長に対して描いた曲線）を観察することにより；特徴付け対象の各レーザチップの波長可変特性を求めることができる。例えば、図１２から、レーザチップ＃３５及び＃２５の波長可変特性は、レーザチップ＃３５及び＃２５よりも狭い窪みを曲線に持つレーザチップ＃２０、＃１０、＃５の波長可変特性よりも大きいことが分かる。最も小さい波長可変範囲はレーザチップ＃１５に属し、このレーザチップ＃１５は、最も狭い窪みが、矢印１５で示す約９３ｃｍ−１の幅を有するプロットを図１２に持つ。これに対して、最も大きい波長可変範囲はレーザチップ＃３５に属し、このレーザチップ＃３５は、矢印３５で示す約１５９ｃｍ−１の幅を有する最も広い窪みを持つ。この情報により、良好なＥＣ−ＱＣＬレーザチップを、各素子に対するダイシング、サブマウント、ワイヤボンディング、及びテストのようなプロセスを経ることなく事前に選択することができる。波長可変範囲は、各レーザ劈開面のＡＲ被膜の品質によっても決まるので、バー内のＡＲ被膜の均一性を含む特性の均一性も同時に検査することができる。
【００４０】
良好なレーザチップ群をＥＣ−ＱＣＬ（外部キャビティ−量子化カスケードレーザ）に用いるために事前に選択する操作は、本明細書において記載されるシステムによって、各素子に対するダイシング、サブマウント、ワイヤボンディング、及びテストのようなプロセスを経る必要なく行なわれる。波長可変範囲は、各レーザ劈開面のＡＲ被膜の品質によっても決まるので、バー内のＡＲ被膜の均一性を含む特性の均一性も同時に、本明細書において記載されるシステムを用いて検査することができる。
【００４１】
本明細書において記載されるシステムでは、外部キャビティが意図的に位置合わせされない場合、レーザチップ群の全てがＦ−Ｐモードで発振することになる。従って、当該システムの基本機能を実行し、全てのレーザチップのレーザ発振波長の全てを測定することができる。手順は自動的に行なわれるので、１枚のウェハの全てのレーザバーを走査することができる。従って、レーザ発振波長をウェハ内にマッピングすることができる。これにより、有用な情報をアクティブゲイン領域の設計者、製作者にフィードバックすることができる、またはウェハ製造プロセスを向上させることができる。
【００４２】
本開示は、自動外部キャビティ（ＥＣ）レーザチップテスティング及び特徴付けシステム及びプロセスを提供し、このシステム及びプロセスは、レーザバーの多数のレーザチップを外部キャビティに自動的に結合させる操作を実行することができるだけでなく、異なるクレーティング角度におけるＥＣ−ＱＣＬチップの閾値電流、発光スペクトル、及び電気パラメータの完全な特徴付けを自動的に実行することができる。本明細書において記載されるシステムは、最良のゲインチップをＥＣ構成において選択することができ、レーザバーをダイシングしてチップ群とし、そしてＥＣ−ＱＣＬ（外部キャビティ量子カスケードレーザ）動作を行なうために専用にマウントする必要を生じることがない、直接的かつ効率的な方法を提供する。その結果、本明細書において記載されるシステムによって、良好なＱＣチップをＥＣ−ＱＣＬシステムについて選択するために必要な作業コストを大幅に低減することができるが、その理由は：（１）テストはレーザバーに対して行なわれるので、ダイシング、サブマウント、及びワイヤボンディングのような多大な工数を要するプロセスが、テストを行なう前に回避され；そして（２）当該システムが完全に自動化されているので、一旦、当該システムが、同様のレーザバーの全てのチップをテストするように設定されると、余分の作業が全く必要にならないからである。当該システムの種々の実施形態は、以下の例を挙げることにより理解される。
【００４３】
例：
本明細書において記載されるシステムを用いて、コーニング社が開発し、そして製造する幾つかの異なるＱＣＬゲインチップをテストした。１本のバーの４０個のレーザを完全に特徴付けるために必要な合計時間は約８時間であり、そしてこの合計時間には、ＥＣ位置合わせだけでなく、スペクトル及び電気測定に要した時間が含まれていた。この合計時間は、主としてレーザアナライザー分光器及びＬＩ曲線の記録に要する時間により決まった。
【００４４】
当該システムは、３．５μｍの中心波長を持つ短波長ＱＣＬゲイン構造を特徴付けるために使用された。当該システムを用いて、コーニング社が製造した４個の異なるＱＣＬバーをテストした。
【００４５】
当該システムによって収集される一連のＬＩ曲線に基づいて、図１２に示すように、検出閾値電流を、ＥＣに結合される全てのレーザ発振チップに関してテストされるグレーティング角度に対してプロットした。図１２は、同じ導波路パラメータを有するレーザチップ＃５，＃１０，＃１５，＃２０，＃２５，＃３５に対応して選択される曲線のみを示しており、これにより、ウェハ全体に亘るプロセスの均一性、及び劈開面のコーティングの品質を評価することができた。波長可変範囲の両側で観測される一定の閾値電流は、ＥＣモードレーザ発振のためのフィードバックが不十分であることを示しているので、レーザ発振は、ゲイン曲線の中心でＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ（ファブリ−ペロー）モードとして生じるようになる。両端の平坦部分よりも小さい閾値電流の全範囲は、各チップに対応するＥＣ波長可変範囲を示している。図１１は、選択チップに関するスペクトル及び電気的な特徴付けデータを示している。閾値曲線を各グレーティング位置で収集されるスペクトルデータと比較すると、低下する閾値領域とＥＣモード波長可変範囲との関係を確認することができる。
【００４６】
本明細書において記載されるＥＣレーザテスティング及び特徴付けシステムは、レーザバーの各ＥＣ−ＱＣＬまたは他の種類のＥＣレーザチップを外部キャビティに自動的に結合させることができ、そして各個々のレーザチップの異なるグレーティング角度における閾値電流、波長可変スペクトル、及びＬＩ曲線を、人間オペレータによる手動の調整を全く必要とすることなく自動的に測定することができる。１本のバー（４０個のレーザ）に要する合計の自動テスティング時間は、スペクトル及びＬＩ曲線を測定する場合に約８時間とすることができ、そしてスペクトルしか測定しない場合に約４時間とすることができる。処理時間は、Ｂｒｉｓｔｏｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ（ブリストルインスツルメンツ）社の波長計のような、本明細書において記載してきた計測器よりも高速の計測器を用いる場合に短くすることができると予測される。
【００４７】
この技術分野の当業者であれば、種々の変形及び変更は、本発明の思想または範囲から逸脱しない限り加えることができることを理解できるであろう。例えば、真空チャックは、位置決めステージに取り付けられて、ＥＣモジュールに対して多軸に沿った並進移動を可能にするものとして本明細書において記載され、そして図示されている。本明細書におけるこれらの実施形態の全てにおいて、ＥＣモジュールを位置決めステージに取り付けて、チャックに対して多軸に沿った並進移動を可能にするようにしてもよく、そしてチャックを静止させてもよいことが理解されるであろう。
【符号の説明】
【００４８】
１    半導体材料バー、レーザバー
３    レーザチップ
５，７    劈開面
１０    半導体ウェハ
１５，３５    矢印
１００    レーザバー位置決めステージモジュール（ＰＳモジュール）
１１０    真空チャック
１１２    真空孔
１１３    平坦上面、真空チャックの上面
１１５，１１６    位置合わせ当接部
１１７    位置決め当接部
１２０    位置決めステージ
１３０    電子プローブ
１３２    モータ駆動プローブマニピュレータ
１４０    レーザアナライザー
１５０    熱電クーラ（ＴＥＣ）モジュール
１６０    制御装置
１７０    ロックインアンプ
２００    外部キャビティモジュール（ＥＣモジュール）
２１０    回折格子
２１２    コリメートレンズ、レンズ軸
２２０    ビームステアリングミラー
２３０    回転ステージ、垂直配向回転ステージ、グレーティング回転ステージ
２３２    水平回転軸
２３４    支持フレーム
２３６    アーム
２３８    自動可動ステージ、レンズ位置決め機構
２４０    傾斜ステージ
２４２    溝
２４４    コリメートレンズのレンズ軸
２４８    光ビームの軸、ビーム軸
Ｂ１    コリメート光ビーム
Ｂ２    出力ビーム
Ｃ１〜Ｃｎ    ＥＣ−ＱＣＬレーザチップ
Ｃ１    第１レーザチップ
Ｃ２    第２レーザチップ
ｎ    インクリメント数
Θ    グレーティング角度、リトロー角、波長範囲
Θ１〜Θｎ    グレーティング角度
Θ１    最小グレーティング角度
Θ２    第２グレーティング角度
【図１】
2014505997.tif 000003
【図２】
2014505997.tif 000004
【図３】
2014505997.tif 000005
【図４】
2014505997.tif 000006
【図５】
2014505997.tif 000007
【図６】
2014505997.tif 000008
【図７】
2014505997.tif 000009
【図８】
2014505997.tif 000010
【図９】
2014505997.tif 000011
【図１０】
2014505997.tif 000012
【図１１】
2014505997.tif 000013
【図１２】
2014505997.tif 000014
【図１３】
2014505997.tif 000015
【国際調査報告】
2014505997.tif 000016
2014505997.tif 000017