(57)【要約】【課題】  ディスク共振器の平面内に形成される単数又は複数の局所的な格子領域を有する誘電マイクロキャビティ・ディスク共振器を提供する。【解決手段】  格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器は、略円形の共振器中に存在する囁きの回廊モードを有する。この格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の平面に格子領域を設けることにより、光のアウトカップルがなされる。格子領域はアウトカップル機構又は損失機構を提供し、時計方向及び反時計方向の囁きの回廊モードと対称的に相互作用し、これにより共振器は面発光することができる。【選択図】  図２
2005183963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面を画定し、反射壁により境界された略滑らかな湾曲した外周を有し、その周囲及び内部を光が循環可能な、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器であって、
格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の平面に配置された少なくとも１つの格子領域を有し、
該格子領域は、前記湾曲した外周の内部を循環する光をアウトカップルして前記共振器の平面外に伝搬する自由空間モードとする、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器。
【請求項２】
平面を画定し、反射壁により境界された略滑らかな湾曲した外周を有し、その周囲及び内部を光が循環可能な、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器であって、
前記格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の平面に配置された少なくとも１つの格子領域を有し、
前記少なくとも１つの格子領域は循環する光に対して角度をなして配置され、
前記格子領域は、前記循環する光をアウトカップルして前記共振器の略平面において共振器外に伝搬する自由空間モードとする、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器。
【請求項３】
第１屈折率を有する導波路層を形成する工程と、
第２屈折率を有するクラッド層を形成する工程と、
前記導波路層及びクラッド層の間に設けられて格子を形成する周期トポグラフィーを、前記導波路層及びクラッド層の少なくとも一方の一部に形成する工程と、
前記導波路層及びクラッド層をエッチングしてマイクロキャビティ・ディスク共振器の略滑らかな湾曲した外周壁を形成する工程と、
を含む、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の製造方法。
【請求項４】
格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の活性領域の上方に導波路層を形成する工程と、
該導波路層の上方にクラッド層を形成する工程と、
該クラッド層の一部内に周期トポグラフィーを形成して格子を形成する工程と、
前記活性領域、前記導波路層及び前記クラッド層をエッチングして、前記キャビティ共振器の略滑らかな湾曲した外周壁を形成する工程と、
を含む、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の製造方法。
【請求項５】
格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の活性領域の上方に導波路層を形成する工程と、
該導波路層の上方にクラッド層を形成する工程と、
該クラッド層の一部の上方に周期トポグラフィーを形成して格子を形成する工程と、
前記活性領域、前記導波路層及び前記クラッド層をエッチングして、前記キャビティ共振器の略滑らかな湾曲した外周壁を形成する工程と、
を含む、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の製造方法。
【請求項６】
導波路層を形成する工程と、
該導波路層の上或いは上方にクラッド層を形成する工程と、
該クラッド層の上或いは上方に電極接点を形成する工程と、
該電極接点の一部の上或いは上方に１組の金属ストライプを形成して格子を形成する工程と、
前記活性領域、前記導波路層、前記クラッド層及び電極接点をエッチングしてキャビティ共振器の略滑らかな湾曲した外周壁を形成する工程と、
を含む、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
キャビティ共振器（空洞共振器）はレーザ、フィルタ、変調器、変換器及び発光ダイオードなどの光学装置における構成要素である。キャビティ共振器のうちでも重要なクラス（種類）としては誘電キャビティ共振器があり、誘電キャビティ・レーザ、フィルタ及びその他の装置を製造するのに使用される。誘電キャビティ・レーザは、ゲイン媒体の境界をなす共振器の壁を形成する誘電界面での全反射により、光学ゲイン媒体にフィードバックを提供することにより作動する。公知の例は、キャビティの周囲を循環する囁きの回廊モードから発光するディスク及びシリンダ・レーザである。ディスク及びシリンダ・レーザは、レーザダイオード構造の断面が円形となるように形成されるものが提案され製造されている。円形の共振器の直径が大きくなるほど、囁きの回廊モードからのエバネッセント光漏れが少なくなり、これにより側壁の反射率を効果的に増すと共に、共振器のＱ値を増加させる。従って、直径の大きな円形ディスク及びシリンダ・レーザは比較的大きな値のゲインＸ長さの積を有し、極めて低い閾値電流を可能にする。
【０００３】
円形の誘電キャビティ・レーザの欠点の１つは、側壁を通しての近接場エバネッセント光漏れを介してしか光が出力されないことである。円形の誘電キャビティ・レーザの別の欠点はレーザ発光が等方性であることである。その結果、円形の誘電キャビティ・レーザからの光出力は通常の光学系では焦点を合わせることができず、例えば大きな損失なしにはファイバ光学ケーブルに導入できない。そのため、円形の誘電キャビティ・レーザの応用は殆どない。
【０００４】
他の設計の誘電キャビティ・レーザが数多く提案されており、誘電キャビティ・レーザの出力を定義された方向に集中させるような試みがなされている。その１つは非対称型共振キャビティ・レーザと呼ばれるものである。非対称型の共振キャビティ・レーザは、円形の対称形からなめらかに変形された断面を有する共振キャビティ・レーザである。このレーザは、変形した囁きの回廊モード、又は蝶ネクタイ（ボウタイ）モード等の振動モードの、何れかから発光可能である。
【０００５】
図１は非対称型共振キャビティ・レーザの一例示的実施形態を示す。該レーザはキャビティの極１０及び１２の近傍に位置する最大曲率部１１及び１３の点から放出する。図１に示す非対称共振キャビティ・レーザは２つの縮退方向を有し、囁きの回廊モードは時計方向又は反時計方向に循環できる。非対称共振キャビティ・レーザは、最大曲率部１３の点での接線に沿って光２０を出力し、最大曲率部１３の点で出力ファイバ１６内に出力する。非対称共振キャビティ・レーザは一般に、最大曲率部１１及び１３の各点における接線に沿って少なくとも２つの放出ビーム１８及び２０を出力するため、このデバイスは発生した光の一部を入力ファイバ１４に逆に出力することもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非対称共振キャビティにより生成されるような多方向放出は、出力モードが各放出ビームに分散されるため、ビーム強度が低い等の多くの理由により好ましくない。多方向放出は、様々な応用において不適当である。従って、放出ビーム数のより少ない誘電キャビティ・レーザが有用である。
【０００７】
本発明はディスク共振器の平面内に形成される単数又は複数の局所的な格子領域を有する誘電マイクロキャビティ・ディスク共振器を提供する。ここで、「共振器の平面内」とは一般にディスクの平坦面に沿うこと或いは平行であることを意味する。種々の例示的実施形態において、格子領域はキャビティの周囲近傍に配置される。種々の例示的実施形態では、格子領域は、共振器の平面から実質的に逸れる方向にビームを出力する。
【０００８】
本発明は更に略円形の共振キャビティを提供する。該共振キャビティでは、クラッド層内に又は半導体構造の上面に形成される二次（回折）格子により、囁きの回廊モードがアウトカップルされる。
【０００９】
本発明は更に、単数又は複数の局所的な格子領域を有する格子アウトカップル型キャビティ共振器を提供する。該格子領域は、循環する時計方向及び反時計方向モードを対称的にアウトカップルし、平面に対しある角度を持つ両モードの指向性放出が得られる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
種々の例示的実施形態において、本発明に係る格子アウトカップル型キャビティ共振器は、格子アウトカップル型キャビティ共振器の周囲に沿って屈折率の局所的周期変化部を備えることにより形成される。周期変化部は、鋸歯、正弦波又は台形形状（トポグラフィー）の形態であっても良く、導波路層にエッチングされ、共振器のクラッド層がその上に成長した形態であり得る。
【００１１】
別の例示的実施形態では、周期変化部は、クラッド層又は接触層の上面に堆積した金属又は導体酸化物の一組の格子の形態であっても良い。
【００１２】
種々の例示的実施形態では、格子は、最大出力を得るためにマイクロディスク共振器の周囲全体にわたり延設されても良い。種々の例示的実施形態では、格子はチャープされている。即ち、格子周期は格子領域にわたり僅かに変化して、アウトカップルされる光のスペクトル幅を広げる。
【００１３】
種々の例示的実施形態では、２つ以上の格子を有するように、半径の異なる２つ以上のレーザキャビティを上下に近接して同軸に設ける。各格子はレーザ波長に合わせて異なる格子周期を有していても良い。従って多周波数出力装置は、同一又は異なる波長を有する、短い間隔をあけた２つ以上のレーザビームを出力することができる。
【００１４】
種々の例示的実施形態では、光をキャビティ共振器から半径方向に回折するために、一次格子領域は循環モードに対して角度をなして配置された部分を有して形成される。
【００１５】
本発明の請求項１に記載の発明は、平面を画定し、反射壁により境界された略滑らかな湾曲した外周を有し、その周囲及び内部を光が循環可能な、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器であって、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の平面に配置された少なくとも１つの格子領域を有し、該格子領域は、前記湾曲した外周の内部を循環する光をアウトカップルして前記共振器の平面外に伝搬する自由空間モードとすることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の発明は、平面を画定し、反射壁により境界された略滑らかな湾曲した外周を有し、その周囲及び内部を光が循環可能な、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器であって、前記格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の平面に配置された少なくとも１つの格子領域を有し、前記少なくとも１つの格子領域は循環する光に対して角度をなして配置され、前記格子領域は、前記循環する光をアウトカップルして前記共振器の略平面において共振器外に伝搬する自由空間モードとすることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の発明は、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の製造方法であって、第１屈折率を有する導波路層を形成する工程と、第２屈折率を有するクラッド層を形成する工程と、前記導波路層及びクラッド層の間に設けられて格子を形成する周期トポグラフィーを、前記導波路層及びクラッド層の少なくとも一方の一部に形成する工程と、前記導波路層及びクラッド層をエッチングしてマイクロキャビティ・ディスク共振器の略滑らかな湾曲した外周壁を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項４に記載の発明は、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の製造方法であって、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の活性領域の上方に導波路層を形成する工程と、該導波路層の上方にクラッド層を形成する工程と、該クラッド層の一部内に周期トポグラフィーを形成して格子を形成する工程と、前記活性領域、前記導波路層及び前記クラッド層をエッチングして、前記キャビティ共振器の略滑らかな湾曲した外周壁を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項５に記載の発明は、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の製造方法であって、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の活性領域の上方に導波路層を形成する工程と、該導波路層の上方にクラッド層を形成する工程と、該クラッド層の一部の上方に周期トポグラフィーを形成して格子を形成する工程と、前記活性領域、前記導波路層及び前記クラッド層をエッチングして、前記キャビティ共振器の略滑らかな湾曲した外周壁を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項６に記載の発明は、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の製造方法であって、導波路層を形成する工程と、該導波路層の上或いは上方にクラッド層を形成する工程と、該クラッド層の上或いは上方に電極接点を形成する工程と、該電極接点の一部の上或いは上方に１組の金属ストライプを形成して格子を形成する工程と、前記活性領域、前記導波路層、前記クラッド層及び電極接点をエッチングしてキャビティ共振器の略滑らかな湾曲した外周壁を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器における光の増幅はレーザ共振器の平面内で生じ、ゲインＸ長さの積は非常に大きい値である。その結果、高い出力レベルが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係る装置、システム及び／又は方法の種々の例示的実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
装置の側壁に曲率の高い領域を設けることによりエバネッセント波での光をアウトカップルするという図１に示す公知の例とは対照的に、本発明によるレーザ構造の種々の例示的実施形態では、キャビティ共振器の平面に格子構造を備えることによって光をアウトカップルすることができ、この格子構造が、循環モードの回折により光をアウトカップルする（光を結合してある出射方向に向ける）。図２は本発明の格子アウトカップル型キャビティ共振器１００の一実施例の平面図である。格子領域１８５で回折された光は装置の平面に対して垂直な方向に共振器１００から出射する。
【００２４】
ここに記載する本発明による格子アウトカップル型キャビティ共振器の種々の実施例は、循環する光をアウトカップルするのに使用できる屈折率が周期的に変化する領域を少なくとも１つ有する。図２に示す格子領域１８５は共振器の平面に配置された屈折率の周期的変化領域である。
【００２５】
図３は格子領域１８５の概略側面図であり、格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器１００における循環モードと格子領域１８５の相互作用を示す。図３に示すように、緩衝層１２５が基板１２０の直上又は上方に堆積される。下部クラッド層１３０が緩衝層１２５の直上又は上方に形成される。下部導波路層１４０が下部クラッド層１３０の直上又は上方に形成される。活性領域１７５が下部導波路層１４０の直上又は上方に形成される。上部導波路層１５０が活性領域１７５の直上又は上方に形成され、上部クラッド層１６０が上部導波路層１５０の直上又は上方に形成される。金属接点層１９０が上部クラッド層１６０の直上又は上方に形成される。
【００２６】
図４に示すように、種々の実施例では、接点層１９０は上方に出射した光の向きを下方に変える反射層である。図３及び図４に示す第１実施例では鋸歯形状（鋸歯状トポグラフィー）が示されているが、鋸歯形状は「格子」特徴の形状の一例に過ぎず、他の形状を使用しても良い。その他の形状の例を図５に示す。図５は、図３及び図４に示す鋸歯状パターンの代わりに、又は鋸歯状パターンに加えて使用できる矩形、台形、正弦波及び非対称の形状を示す。
【００２７】
「格子」の形状は非対称で「ブレーズ」された格子を形成しても良く、反時計方向に伝播する囁きの回廊モードと比較して、時計方向に伝播する囁きの回廊モードと非対称に相互作用する。
【００２８】
種々の実施例では、共振器平面に対して通常垂直な方向にレーザ光をアウトカップルするために二次分散フィードバック格子が使用される。二次分散フィードバック格子の周期性Λは、
【００２９】
Λ＝λ／ｎ
【００３０】
であり、ここでλはアウトカップル波長であり、ｎはレーザキャビティにおける実効屈折率である。
【００３１】
この関係式は近似であり、実効屈折率間の差が小さい時に適する。実効屈折率間の差が大きい場合、より正確な周期性の定義は、
【００３２】
Λ＝Λ1＋Λ2＝λ／（２＊ｎ1）＋λ／（２＊ｎ2）
【００３３】
であり、ここでｎ1及びｎ2はそれぞれの分散フィードバック格子領域における実効屈折率である。この詳細は図８に示す。
【００３４】
レーザ光を結合して共振器の平面から出射する一方向に向けるために、より高い次元の分散フィードバック格子を使用することもできる。
【００３５】
共振器から光を回折して出射する場合、格子の周期性は多くの場合最も重要なパラメータであることは理解すべきである。しかし格子形状は、結合係数にも影響を与える。格子歯の深さや格子プロファイルの屈折率の差などの他のパラメータも結合係数に強い影響を与える。
【００３６】
装置の周囲を循環する囁きの回廊モードは、例えば図３に示す共振器１００の上部導波路層１５０及び上部クラッド層１６０に形成される周期的格子構造１８５により形成される屈折率の周期的変化を受ける。活性領域１７５で発生した光子は上部導波路層１５０と下部導波路層１４０との間に導かれる。上部導波路層１５０に導かれた光子は周期構造１８５と相互作用し、周期構造１８５により上部導波路層１５０と上部クラッド層１６０との界面で回折される。回折により光子は共振器１００の平面に対して略垂直な方向１７０に沿って出射する。
【００３７】
図３及び図４を参照して説明したように、周期変化構造１８５は上部クラッド層１６０と上部導波路層１５０との間に形成された鋸歯形状（鋸歯状トポグラフィー）の形態であって良い。周期パターン構造１８５は、上部導波路層１５０をエッチングして凹部とすることにより形成される。次に上部クラッド層１６０を、上部導波路層１５０に形成された周期形状（周期トポグラフィー）構造１８５上に成長或いは再成長する。
【００３８】
屈折率が周期的に変化する各領域１８５はアウトカップル開口としての役割を果たす。即ち、本明細書中で開示する格子アウトカップル型キャビティ共振器の種々の例示的実施形態は、１つ以上のアウトカップル格子１８５を有し、各格子は時計方向と反時計方向の伝搬モードの一方或いは両方に結合される。
【００３９】
種々の例示的実施形態では、アウトカップル格子１８５を上部導波路層１５０だけに形成しても良い。別の例示的実施形態では、アウトカップル格子１８５を下部導波路層１４０に形成しても良い。別の例示的実施形態ではアウトカップル格子１８５を上部導波路層１５０及び下部導波路層１４０の両方に設けても良い。
【００４０】
アウトカップル格子１８５と金属リフレクタ１９０との間の距離ｄはλ／２ｎの倍数であり、ここでｎはレーザ構造における屈折率であり、λはディスク共振器を進む光の波長であり、格子からの反射光及び非反射光は強めあうよう干渉する。従って、レーザダイオードの全体の光出力は向上する。
【００４１】
発光素子或いは共振器１００自体の構造は図６に示すようなＩＩＩ−Ｖ窒素レーザヘテロ構造２００であっても良い。レーザ構造は有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）を用いて製造しても良い。図６に示すＩＩＩ−Ｖ窒素レーザ素子２００は、Ｃ面（０００１）或いはＡ面（１１２０）に配向したサファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板２１０上に、半導体層を連続してエピタキシャル成長し、その上に成長する。基板材料として使用可能なその他の材料には、例えば、炭化ケイ素（例えば６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣ）、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、Ａ１Ｎ或いはケイ素が含まれる。
【００４２】
レーザ構造２００はサファイア基板２１０の直上又は上方に形成された核生成層としても知られる薄い緩衝層２１５を有する。緩衝層２１５は主に潤滑層として作用し、サファイア基板２１０の上面を滑らか且つ均一に覆う。典型的には、緩衝層２１５は例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ或いはＡｌＧａＮ等の２元或いは３元のＩＩＩ−Ｖ窒素材料で形成される。
【００４３】
第２ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２２０が、基板２１０の直上又は上方に、緩衝層２１５が有る場合はその直上又は上方に、形成される。第２ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２２０はｎ型（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＮ電流伝搬層である。第２ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２２０は横方向のｎ接点としての役割を果たす。
【００４４】
第３ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２２５を第２ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２２０の直上又は上方に形成しても良い。第３ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２２５を用いる場合、該層はひずみ補償及び欠陥低減層である。種々の例示的実施形態では、第３ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２２５はｎ型のＩｎＧａＮ：Ｓｉであり、Ｉｎの含有量は活性領域２５０におけるＩｎＧａＮ量子井戸よりも少なく、ｎドープ濃度は１０16〜１０20ｃｍ-3である。
【００４５】
第４ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２３０は、第３ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２２５を用いる場合にはその直上又は上方に形成され、用いない場合には第２層２２０の直上又は上方に形成される。第４ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２３０はクラッド層である。種々の例示的実施形態では層２３０はｎ型（Ｉｎ）ＡｌＧａＮクラッド層である。
【００４６】
導波路層である第５ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２４０が第４ＩＩＩ−Ｖ窒化物層の直上又は上方に形成される。種々の例示的実施形態では、第５ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２４０はｎ型の（Ｉｎ）ＧａＮ：Ｓｉ又は（Ｉｎ）ＧａＮ：非ドープ、或いはＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＩｎＮであり、Ｉｎ及びＡｌ含有量は、屈折率が第４ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２３０よりも大きく、活性領域２５０を形成するＩｎＧａＮ量子井戸よりも小さくなるように選択される。
【００４７】
上述の通り、第５ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２４０の直上又は上方に量子井戸活性領域２５０が形成される。種々の例示的実施形態では、量子井戸活性領域は少なくとも１つの（Ｉｎ）（Ａｌ）ＧａＮ量子井戸を用いて形成される。
【００４８】
量子井戸活性領域２５０の直上又は上方には第６ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２５５が形成される。第６ＩＩＩ−Ｖ窒化物層はキャリヤ閉じ込め層としての役割を果たす。第６ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２５５は量子井戸活性領域２５０よりも高いバンドギャップを有する。種々の例示的実施形態では、バンドギャップ差は約０．５ｅＶである。
【００４９】
第６ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２５５の直上又は上方には第７ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２６０が形成される。第７ＩＩＩ−Ｖ窒化物層は導波路層としての役割を果たす。種々の例示的実施形態では、第７ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２６０はｐ型の（Ｉｎ）ＧａＮ：Ｍｇ、（Ｉｎ）ＧａＮ：非ドープ、ＡｌＧａＮ、又はＡｌＧａｌｎＮ材料である。この例示的実施形態では、Ｉｎ及びＡｌ含有量は第７層２６０の屈折率が第６ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２５５よりも大きく、活性領域２５０におけるＩｎＧａＮ量子井戸よりも小さくなるように選択される。
【００５０】
第７ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２６０の直上又は上方には第８ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２７０が形成される。種々の例示的実施形態では、第８ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２７０はｐ型（Ｉｎ）ＡｌＧａＮクラッド層であり、導波路層２６０に形成された鋸歯状の凹部の中及びその上方に成長する。
【００５１】
第８ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２７０の直上又は上方に第９ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２８０が形成される。第９ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２８０は、ｐ型ドープＧａＮ：Ｍｇ或いはｐ型ドープＩｎＧａＮ：Ｍｇ接点層２８０を形成し、抵抗の低い金属電極とする。この構造は金属電極材料２９０の層により覆われていても良い。ｐ型金属の材料は限定されないが、例えばニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケルと金の合金（Ｎｉ／Ａｕ）、パラジウムとチタンと金の合金（Ｐｄ／Ｔｉ／Ａｕ）、又はプラチナとチタンと金の合金（Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕ）から選択される。
【００５２】
透明なサファイヤ、ＧａＮ、ＡｌＮ又はＳｉＣの基板上で成長した窒化物共振器の場合、この透明な基板を介してアウトカップルが生じる。不透明な基板を有する他のシステムでは、半透明な上部電極を介してアウトカップルさせることができる。ＧａＮ或いはＡｌＮ等の他の基板材料を用いる場合、核生成層２１５なしに基板の上部に直接第２ＩＩＩ−Ｖ窒化物層２２０を形成することができる。
【００５３】
ＩＩＩ族窒化物半導体の他に、本発明に係る格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器を実現するために他にも多くの材料を使用することができる。そのような材料としては、他のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体、及び、例えば発光ポリマ又は発光小分子などの有機材料がある。本発明に係る格子アウトカップル型マイクロキャビティ共振器を形成するには、一般に電気的又は光学的に励起されてゲインを生成できる材料であれば何れの材料も使用することができる。
【００５４】
図７はＧａＡｓ系格子アウトカップル型キャビティ共振器３００の例示的実施形態を示す。このＧａＡｓ系格子アウトカップル型キャビティ共振器３００の光学的及び電流閉じ込め構造は図６に示すＧａＮ系系格子アウトカップル型マイクロキャビティ共振器２００に非常に似ている。ＧａＡｓの場合、構造３００はＧａＡｓ導体基板３１０上で成長させることができる。
【００５５】
光学的及び電気的な閉じ込めは、非ドープＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ導波路層３３０及び３５０，並びにびＳｉドープ及びＣドープＡｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓクラッド層３２０及び３６０を備える別個の閉じ込めヘテロ構造により達成される。鋸歯状格子構造１８５は上部導波路層３５０及びクラッド層３６０内に形成されるか又は付着される。
【００５６】
ＧａＡｓ並びに他のＩＩＩ−Ｖ及びＩＩ−ＶＩ材料におけるｐ層導電性はＧａＮ系構造よりも遙かに高いため、ディスクの中心部分をレーザ構造におけるｐ接点リング電極及びｐ層から電気的に絶縁する必要があるかも知れない。これは、例えば高エネルギ（１０ｋｅＶ〜数百ｋｅＶ）プロトンを破線領域３９０に埋め込み、この埋め込み工程で生じた欠陥を除去するために埋め込み後アニールにより行うことができる。領域３９０にプロトンを埋め込む代わりに、構造３００の中心部３９５をドライエッチング及び／又はウェットエッチングにより除去することもできる。
【００５７】
上述のように、図２は本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器１００の第１の例示的実施形態を示し、該キャビティ共振器１００は円形ディスク形状に形成される。図２に示す円形の格子アウトカップル型キャビティ共振器は図５又は図６に示す層構造の何れかを使用して実現することができる。種々の例示的実施形態では、図２に示す外側の円形状並びに図３及び図４に示す格子領域は、化学的イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）を使用して図６及び図７に示すＩＩＩ−Ｖ窒化物ヘテロ構造２００及び３００をエッチングすることにより得ることができる。化学的イオンビームエッチングは非常に滑らかで垂直な側壁を得ることのできる技術である。滑らかで垂直な側壁は、充分なゲイン及び明確に定められた格子特徴を有するデバイスを作成する上で重要である。しかし、充分に滑らかで垂直な側壁を提供する他の公知、又は後に開発された技術、或いはそれらの組み合わせを使用しても良い。
【００５８】
図２に関して上述した例示的実施形態では、Ｔｅｃｈｎｉｃｓ  Ｐｌａｓｍａ（Ｋｉｒｃｈｈｅｉｍ、ドイツ、Ｒｉｂｅｔｃｈ  １６０  ＥＣＲ  ＬＬモデル）による市販の化学イオンビームエッチング装置においてサンプルをエッチングした。図２に示すＩｎＡｌＧａＮヘテロ構造をフォトレジストでパターン化した後、三塩化ホウ素及び塩素の混合物中で化学イオンビームエッチングを使用してサンプルをエッチングした。
【００５９】
上述のように、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）を用いて薄い緩衝層２１５、電流拡散層２２０、ひずみ補償層２２５、下部クラッド層２３０、下部導波路層２４０、活性領域２５０、電流閉じ込め層２５５及び上部導波路層２６０を付着させる。次に、上部導波路層２６０又は３５０を成長した後にＭＯＣＶＤ成長を中断するが、これは、上部成長される分散型フィードバック格子構造を、後述するように、図３、４、６又は７に示す上部導波路層と共に製造するためである。
【００６０】
エッチングされた分散型フィードバック格子構造において、窒化物レーザヘテロ構造をフォトレジスト層又はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）層で先ず覆う。フォトリソグラフィー（ホログラフィー露光）又は電子ビームリソグラフィーによりフォトレジスト層又はＰＭＭＡ層に格子パターンを画定する。その後、例えば上述のＣＡＩＢＥ等のドライエッチング法により導波路層２６０又は３５０にエッチングすることにより、格子をＩｎＡｌＧａＮヘテロ構造に転写する。格子を導波路層にエッチングした後、フォトレジスト層又はＰＭＭＡ層を除去し、再成長のためにウェハ面を洗浄する。上部クラッド層２７０又は３６０、及びｐ金属接点層２８０、３７０又は３８０の成長と共にＭＯＣＶＤ成長を再開する。
【００６１】
図８は上述したエッチング及び上部成長（overgrowth）法を使用して製造できる格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第２の例示的実施形態を示す。この例示的実施形態では、格子歯１８５は、矩形の溝を導波路層にエッチングしてクラッド層をその上に成長させることにより製造することができる。図５に列挙したように、周期パターンを形成するのに矩形の溝や歯以外にも多くの異なる形状の溝を使用しても良いことは理解すべきである。
【００６２】
典型的には、格子歯の形状が矩形、鋸歯状、台形等であろうがアウトカップル光における格子の性能に与える影響は比較的少ない。しかし、典型的に格子歯の深さは格子構造の性能に大きく影響する。この効果は、図９に示されており、図９は図８の矩形形状格子歯のエッチング深さの関数である結合係数κのグラフである。
【００６３】
図１０は本発明に係る格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第３の例示的実施形態を示す。該共振器は上述の再成長プロセスを用いて製造することができる。図１０に示すように、導波路の上部に例えばＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、又はＳｉ3Ｎ4等の非吸収誘電材料を付着させて誘電格子構造を形成し、その誘電層をパターンニングしたフォトレジストで覆うことが可能である。その後、例えばＣＦ4内でプラズマエッチング等のドライエッチング又はウェットエッチングを用いて溝を誘電層１５５にエッチングすることにより誘電格子を形成する。溝を誘電層１５５にエッチングした後、フォトレジスト又はＰＭＭＡを除去し、露出した表面を再成長のために洗浄する。次に、誘電格子構造上にクラッド層１６０、２７０又は３６０、及びｐ接点層１９０、２８０、３７０又は３８０を形成する。
【００６４】
誘電格子と横方向の光学的モードとの間の重複により結合（カップリング）効果が決まる。横方向モードは活性領域において最高の強度を有するため、誘電格子が活性領域に近い場合、結合係数は最も高い。
【００６５】
格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器１００〜３００のレーザモードは、格子アウトカップル型キャビティ・ディスク共振器１００〜３００の周囲近傍を循環する囁きの回廊モードである。
【００６６】
屈折率の不連続性は、格子特徴、即ち鋸歯状の境界で生じ、循環する光の回折を引き起こす。
【００６７】
循環する囁きの回廊モードは、図３〜８及び図１０に示す共振器１００〜３００の格子領域１８５における屈折率の周期的変化と相互作用する。二次回折格子に対し、格子領域１８５からキャビティ共振器１００〜３００の平面に略垂直な方向１７０へレーザが放出される。特に格子開口１８５は循環モードの一部をアウトカップルして（エバネッセント光波というよりも）伝搬光波とする。アウトカップル機構は従って、図１に示す非対称な共振キャビティ共振器とは基本的に異なり、図１では、レーザ共振器１と、隣接する光ファイバ１４又は１６との間の近接場エバネッセント結合によってのみアウトカップルが達成される。
【００６８】
図３及び図４に示すように、共振器１００において、電極接点１９０は格子領域１８５とキャビティ共振器１００の他の部分との両方にわたり連続している。図１１は電気的に励起された格子アウトカップル型マイクロキャビティ共振器４００の一例示的実施形態の概略平面図であり、図３に示すデバイスに対応する。明瞭化のために、図１１には格子領域は示されていない。図１２は格子アウトカップル型キャビティ共振器４００の層構造の断面図である。
【００６９】
種々の例示的実施形態では、ヘテロ構造を作成した後に図１１及び図１２に示す電極構造を形成する。例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）を用いてヘテロ構造を成長させた後、マグネシウムドーピングを高速熱アニールにより活性化させる。次に、オームｐ金属接点膜層４２０を窒化物層４３０及び絶縁層４１０の直上又は上方に形成して接点リングｐ電極４２５を形成する。
【００７０】
図１１及び図１２に示す格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器４００の外形を、化学的イオンビームエッチングにより形成して、構造４３０を形成する。レーザ共振器構造４００の中央部を除去することにより穴を同時に形成しても良い。これにより非円形経路を有するモードの励起を低減、理想的には防止し、該モードがディスクの中心を通過することを防止する。
【００７１】
例えばＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯＮポリイミドなどからなる誘電絶縁層４１０を、例えば物理的蒸着化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）電子ビーム（ｅビーム）又はスパッタ法（ポリアミドを除く）により付着させることができる。ｐ金属及びｎ金属パッド用の誘電層４１０の開口は例えばＣＦ4を用いてプラズマエッチングにより作成しても良い。
【００７２】
ｎ金属パッド４４０及びｐ金属パッド４２０が、熱蒸着又は電子ビーム蒸着により付着される。これらパッドは例えばチタンと金の合金（Ｔｉ／Ａｕ）又はチタンとプラチナと金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の合金であっても良い。
【００７３】
図１３は本発明に係る格子アウトカップル型キャビティ共振器５００の第４の例示的実施形態を示す。この実施形態では、格子領域１８５は溝をクラッド層にエッチングし、溝間に平行な柱の組を残すことにより形成される。
【００７４】
図３及び図４に示す第１の例示的実施形態１００のように、基板５１０の直上又は上方に緩衝層５１５を付着し、緩衝層５１５の直上又は上方に下部クラッド層５２０を形成する。下部クラッド層５２０の直上又は上方に下部導波路層５３０を形成する。下部導波路層５３０の直上又は上方にデバイスの活性領域５３５を付着させる。活性領域５３５の直上又は上方に上部導波路層５４０を付着させる。上部導波路層５４０の直上又は上方に上部クラッド層５５０を形成する。格子領域１８５は、１組の間隙５５５を上部クラッド層５５０にエッチングし、上部クラッド層５５０の１組の平行柱５４５を残すことにより形成される。金属接点層５６０は格子領域により途切れていないクラッド層５５０の一部の直上又は上方に形成される。
【００７５】
図９について記載した状態とは対照的に、図１３に示す第４の例示的実施形態では、エッチングされた領域５５５を占める材料は典型的に空気である。従って、柱５４５を形成する材料とエッチングされた間隙５５５を占める材料との間の屈折率の差は非常に大きい。別の例示的実施形態では、屈折した光５６５が下方にしか伝搬されず上方には伝搬されないように溝構造を反射材料で満たすことができる。
【００７６】
図１４は相対的屈折率の結合係数に対する影響、及び格子エッチング深さの結合係数に対する効果を示すグラフである。図１４に示す挙動は、図９に示したものと類似しており、図９の実施形態は矩形の格子歯を含み、結合係数が歯のエッチング深さの増加と共に増加し、エッチング領域と比較してクラッド層の屈折率間の差の増加と共に増加する。
【００７７】
図１５は、結合係数１２０ｃｍ-1、格子長１００μｍでの、エッチングされた格子の理論的反射スペクトルを示す。この解析について、格子周期は７９．５４１ｎｍである。図１６は格子エッチング深さｄに依存する理論反射率を示し、発光波長４００ｎｍでの矩形エッチング格子の種々の屈折率に対して示している。
【００７８】
図１７は図１３の第４の例示的実施形態の平面図である。図１７に示すように、格子アウトカップル型マイクロキャビティ共振器５００では、接点層５６０は格子領域５４５まで延びていないし覆ってもいない。従って、電極接点層５６０は図１３に示すように格子領域５４５にわたって不連続であり、格子領域５４５は励起されない。
【００７９】
図１８はクラッド層の再成長を必要としない第５の例示的実施形態を示す。この例示的実施形態では、上部クラッド層１６０の直上（又は上方）に、金属層１８５を堆積することにより、又は、例えばＴｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｔｉ／Ａｕ等を用いて形成した金属層の組み合わせを堆積することにより、格子を形成することができる。金属層の代わりに、層をインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の導電酸化物としても良い。図１９は、図１８に示す第５の例示的実施形態の、結合係数κとクラッド層厚さｄとの理論的関係を示す。図２０は第５の例示的実施形態の鏡面反射率とクラッド層厚さとの理論的関係を示す。図１９及び図２０に示すように、クラッド層厚さが減少すると格子領域が活性領域に近づくため、鏡面反射率と結合係数はクラッド層の厚さが減少すると増加する。クラッド層が薄くなればなる程、格子での光学場強度が高くなり、従って結合係数と鏡面反射率とが高くなる。
【００８０】
しかし、金属は吸収傾向を有するため、金属層は活性層にあまり近づけて配置すべきではない。金属層は格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の吸収損失の一因となりゲインを減少させるためである。この傾向は図２１に示される。図２１はクラッド層厚さを１００ｎｍ未満に減少すると吸収損失が上昇して１００ｃｍ-1を超えることを示している。
【００８１】
図２２に示すように、吸収金属格子の代わりに透明な導電電極を使用することもできる。この第６の例示的実施形態では、接点層１９０の上面上又は上方に透明電極を付着させることができる。図２２に示すように、ＧａＮ接点材料１９０の薄層の直上又は上方に金属又はＩＴＯストライプを配置して格子領域１８５を形成する。図２３は表面格子法の第７の例示的実施形態を示す。図２３において、ＧａＮ接点材料１９０の直上又は上方に付着したＩＴＯ１９２の薄層の直上又は上方に金属ストライプを配置する。
【００８２】
図２４は本発明に係る格子アウトカップル型キャビティ共振器６００の第８の例示的実施形態を示す。図２４に示すように、格子アウトカップル型キャビティ共振器６００は２つの格子アウトカップル型キャビティ共振器６０５及び６１５を有し、第１の格子アウトカップル型キャビティ共振器６０５の上部に第２の格子アウトカップル型キャビティ共振器６１５を形成する。図２４に示すように、格子アウトカップル型キャビティ共振器６０５及び６１５は別個の格子６３０及び６４０をそれぞれ有し、これらはキャビティ共振器６０５或いは６１５の共振周波数に同調される。格子アウトカップル型キャビティ共振器６０５及び６１５は同じ共振周波数でレーザ発振したり、或いは異なる共振周波数でレーザ発振するようにしても良い。従って格子６３０及び６４０は同じ或いは異なる周波数で２つの出力ビームを生成するようにしても良いが、何れの場合にも、互いに近接して設けられる。格子アウトカップル型キャビティ共振器６０５及び６１５は異なる直径で同軸に設けても良い。
【００８３】
図２５は格子アウトカップル型キャビティ共振器６００の側面図である。基板６１０の直上又は上方に形成された緩衝層６１７の直上又は上方に下部外側格子アウトカップル型キャビティ共振器６０５が形成される。緩衝層６１７の直上又は上方に下部クラッド層６２０が形成される。下部クラッド層６２０の直上又は上方に下部導波路層６２５が形成される。下部導波路層６２５の直上又は上方に活性領域６３５が形成される。活性領域６３５の直上又は上方に上部導波路層６４５が付着される。上部導波路層６４５の直上又は上方に上部クラッド層６５０が形成される。上部クラッド層６５０の直上又は上方に金属接点層６５５が付着される。格子アウトカップル型キャビティ共振器５００について上述したものと類似した方法を用いて１組の間隙を上部クラッド層６５０にエッチングすることにより、下部外側格子アウトカップル型キャビティ共振器の格子領域６３０を上部クラッド層６５０に形成する。
【００８４】
下部外側格子アウトカップル型キャビティ共振器６０５の上部に上部内側格子アウトカップル型キャビティ共振器６１５を形成する。上部内側格子アウトカップル型キャビティ共振器６１５の下部クラッド層６６０を、下部外側格子アウトカップル型キャビティ共振器６０５の金属接点層６５５の直上又は上方に付着させる。上部導波路層６７５の直上又は上方に上部クラッド層６８０を形成する。上部クラッド層６８０の直上又は上方に金属接点層６８５を形成する。格子アウトカップル型キャビティ共振器５００に関して上述したものと類似した方法を用いて、１組の空隙を上部クラッド層６８０にエッチングすることにより、上部内側格子アウトカップル型キャビティ共振器の格子領域６４０を上部クラッド層６８０に形成する。勿論、示した２つを超える任意数の格子アウトカップル型キャビティ共振器を格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器６００に組み込むことができる。
【００８５】
図２６は本発明に係る格子アウトカップル型キャビティ共振器８００の第９の例示的実施形態を示す。図２６に示すように、格子アウトカップル型キャビティ共振器８００は循環モード８２０に対して角度をなして配置された一次出力格子８１０を有する。一次の角度付き格子８１０は、格子アウトカップル型キャビティ共振器から共振器８００の平面と垂直な方向ではなく、半径方向に（又は別の角度で）レーザ発光８３０をアウトカップルできる。この場合、レーザ発光８３０が焦点を合わせたりコリメートできるように、格子８１０の格子パターンは非線形であっても良い。必要であれば、格子８１０をブレージングすることで時計方向又は反時計方向モードの選択的アウトカップルが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】公知の非対称共振マイクロキャビティ・ディスク共振器構造の概略図である。
【図２】本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第１実施形態の平面図である。
【図３】本発明による図２の格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第１実施形態の側面図である。
【図４】金属接点として堆積した反射材料を含む格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第２実施形態を示す。
【図５】格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の格子歯の別の形状の側面図である。
【図６】本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の層構造の第１実施形態の断面図である。
【図７】本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の層構造の第２実施形態の断面図である。
【図８】本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第２実施形態の側面図である。
【図９】図８の格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第２実施形態の結合係数とエッチング深さとの関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第３実施形態の側面図である。
【図１１】装置を励起（ポンピング）するための電極構造を示す、本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第１実施形態の平面図である。
【図１２】電極構造を示す、本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第１実施形態の断面図である。
【図１３】本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第４実施形態の側面図である。
【図１４】図１３に示す格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第４実施形態の結合係数と格子プロファイル深さとの関係を示すグラフである。
【図１５】図１３の格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の反射スペクトルを示す。
【図１６】図１３の格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の鏡面反射率と格子プロファイル深さとの関係を示すグラフである。
【図１７】本発明による上部電極の形状を示す、図１３の格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第４実施形態の平面図である。
【図１８】本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第５実施形態の側面図である。
【図１９】図１８の格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の結合係数とクラッド層厚さとの関係を示すグラフである。
【図２０】図１８の格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の鏡面反射率とクラッド層厚さとの関係を示すグラフである。
【図２１】図１８の格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の吸収損失とクラッド層厚さとの関係を示すグラフである。
【図２２】本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第６実施形態を示す。
【図２３】本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第７実施形態を示す。
【図２４】本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第８実施形態の平面図である。
【図２５】格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第８実施形態の側面図である。
【図２６】本発明による格子アウトカップル型マイクロキャビティ・ディスク共振器の第９実施形態の平面図である。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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