(57)【要約】光の周波数変換のための装置であって、その装置は、第一周波数を有する光を出射するための発光デバイスであって、延長導波路の基本横モードが低ビーム発散によって特徴付けられるように選択された延長導波路を有する端面発光半導体発光ダイオードである発光デバイスを備える。装置はさらに、発光デバイスと光反射体との間に画定される外部キャビティを光が複数回通過し、かつ第一周波数を有するレーザ光を発生するためのフィードバックをもたらすように、構成かつ設計された光反射体を備える。装置はさらに、外部キャビティ内に配置された非線形光学結晶であって、第一周波数を有するレーザ光が非線形光学結晶を複数回通過したときに、第一周波数が第一周波数とは異なる第二周波数に変換されるように選択された非線形光学結晶を備える。
2006518548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の周波数変換のための装置であって、
（ａ）第一周波数を有する光を出射するための発光デバイスであって、延長導波路の基本横モードが低ビーム発散によって特徴付けられるように選択された延長導波路を有する端面発光半導体発光ダイオードである発光デバイスと、
（ｂ）前記発光デバイスと光反射体との間に画定される外部キャビティを光が複数回通過し、かつ前記第一周波数を有するレーザ光を発生するためのフィードバックをもたらすように、構成かつ設計された光反射体と、
（ｃ）前記外部キャビティ内に配置された非線形光学結晶であって、前記第一周波数を有するレーザ光が前記非線形光学結晶を複数回通過したときに、前記第一周波数が前記第一周波数とは異なる第二周波数に変換されるように選択された非線形光学結晶と、
を備えた装置。
【請求項２】
少なくとも一つの追加発光デバイスをさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも一つの追加発光デバイスのうちの少なくとも一つは、前記延長導波路を有する端面発光半導体ダイオードである請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記延長導波路は、注入電流にさらされたときに、光を出射することができる請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記発光デバイスのストライプ長および前記注入電流は、前記注入電流だけでは非コヒーレント光が発生し、前記注入電流および前記フィードバックの結合によって前記第一周波数を有する前記レーザ光が発生するように選択される請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記外部キャビティは、前記第一周波数を有する前記レーザ光が実質的に前記基本横モードで発生するように設計される請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記光反射体は、前記第二周波数以外の周波数を有する光を反射し、かつ前記第二周波数を有する光を透過するように選択される請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記発光デバイスは複数の層から形成される請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記発光デバイスは、前記延長導波路の第一側に隣接するｎエミッタおよび前記延長導波路の第二側に隣接するｐエミッタを備える請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ｎエミッタは基板の第一面に形成され、前記基板はＩＩＩ−Ｖ族半導体である請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＳｂから構成される群から選択される請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記発光デバイスは、前記基板と接触しているｎコンタクト、および前記ｐエミッタと接触しているｐコンタクトを含む請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記ｐエミッタは、前記延長導波路と接触している少なくとも一つのｐドープ層、および前記ｐコンタクトと接触している少なくとも一つのｐ＋ドープ層を含む請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記延長導波路は、ｎ不純物をドープされた第一延長導波路領域とｐ不純物をドープされた第二延長導波路領域との間に形成された活性領域を備え、前記第一および前記第二延長導波路領域は光透過性である請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】
前記活性領域は、前記基板のエネルギバンドギャップより狭幅であるエネルギバンドギャップによって特徴付けられる請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記活性領域は少なくとも一つの層を含む請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記活性領域は、量子井戸システム、量子細線システム、量子ドットシステム、およびそれらの組合せから構成される群から選択されたシステムを含む請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記ｎエミッタの厚さは１０マイクロメートルより大きい請求項９に記載の装置。
【請求項１９】
前記発光デバイスの前ファセットは、反射防止コートを被覆される請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記発光デバイスの後ファセットは、高反射コートを被覆される請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記発光デバイスの後ファセットは、高反射コートを被覆される請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記高反射コートは複数の層を含む請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記高反射コートは、前記基本横モードにおける高反射性および高次横モードにおける低反射性を達成するのに充分な狭さである所定の阻止帯域によって特徴付けられる請求項２０に記載の装置。
【請求項２４】
前記光反射体は複数の層を含む請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記光反射体は、前記基本横モードにおける高反射性および高次横モードにおける低反射性を達成するのに充分な狭さである所定の阻止帯域によって特徴付けられる請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記高反射コートおよび前記光反射体は各々独立に、前記基本横モードにおける高反射性および高次横モードにおける低反射性を達成するのに充分な狭さである所定の阻止帯域によって特徴付けられる請求項２０に記載の装置。
【請求項２７】
前記非線形光学結晶は周波数変換効率によって特徴付けられ、さらに、前記高反射コートの前記阻止帯域の温度依存性は、前記周波数変換効率の温度依存性に等しい請求項２３に記載の装置。
【請求項２８】
前記非線形光学結晶は周波数変換効率によって特徴付けられ、さらに、前記光反射体の前記阻止帯域の温度依存性は、前記周波数変換効率の温度依存性に等しい請求項２５に記載の装置。
【請求項２９】
前記高反射コートの前記阻止帯域の温度依存性は、前記周波数変換効率の温度依存性に等しい請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
前記光反射体の前記阻止帯域の温度依存性は、前記周波数変換効率の温度依存性に等しい請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記第二周波数を有する光が前記発光デバイスに入射することを防止するように、スペクトル選択性フィルタを配置することをさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項３２】
前記スペクトル選択性フィルタは、前記非線形光学結晶の前記発光デバイスに面する側に形成される請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記延長導波路は、前記延長導波路が可変屈折率によって特徴付けられるように、各々異なる屈折率を有する少なくとも二つの部分を含む請求項１に記載の装置。
【請求項３４】
前記延長導波路の前記少なくとも二つの部分は、中間屈折率を有する第一部分および高い屈折率を有する第二部分を含み、前記第一および前記第二部分は、前記第一部分で前記基本横モードが発生し、前記第二部分に漏洩し、かつ前記発光デバイスの前ファセットから予め定められた角度で出射するように、設計かつ構成される請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記延長導波路の少なくとも一部分はフォトニックバンドギャップ結晶を含む請求項１に記載の装置。
【請求項３６】
前記フォトニックバンドギャップ結晶は、周期的に変調される屈折率を有する構造を含み、前記構造は複数の層を含む請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記発光デバイスは、前記フォトニックバンドギャップ結晶の一つの層内に配置された、光を吸収できる少なくとも一つの吸収層を含む請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記発光デバイスは、複数の吸収層の各々が前記フォトニックバンドギャップ結晶の異なる層内に配置されるように構成された、複数の吸収層を含む請求項３６に記載の装置。
【請求項３９】
前記延長導波路の少なくとも一部分は、前記フォトニックバンドギャップ結晶の第一面に隣接する欠陥を含み、前記欠陥および前記フォトニックバンドギャップ結晶は、前記基本横モードが前記欠陥部分に限定され、他の全てのモードが前記フォトニックバンドギャップ結晶全体に延在するように選択される請求項３５に記載の装置。
【請求項４０】
前記欠陥はｎ側およびｐ側を有する活性領域を含み、前記活性領域は注入電流にさらされたときに光を出射することができる請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記フォトニックバンドギャップ結晶および前記欠陥の総厚さは、前記低いビーム発散を可能にするように選択される請求項３９に記載の装置。
【請求項４２】
前記発光デバイスは、前記フォトニックバンドギャップ結晶の第二面に隣接するｎエミッタ、および前記欠陥により前記フォトニックバンドギャップ結晶から離され、かつ前記欠陥に隣接するｐエミッタを含む請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記発光デバイスは可変屈折率を有するｐドープ層構造を含み、前記ｐドープ層構造は前記ｐエミッタと前記欠陥との間に存する請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記ｎエミッタは基板の第一面に形成され、前記基板はＩＩＩ−Ｖ族半導体である請求項４２に記載の装置。
【請求項４５】
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＳｂから構成される群から選択される請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
前記発光デバイスは、前記基板と接触しているｎコンタクト、および前記ｐエミッタと接触しているｐコンタクトを含む請求項４４に記載の装置。
【請求項４７】
前記発光デバイスは可変屈折率を有するｐドープ層構造を含み、前記ｐドープ層構造は前記ｐエミッタと前記欠陥との間に存する請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記可変屈折率は、前記基本横モードが前記ｎコンタクトおよび／または前記ｐコンタクトまで及ぶことを防止するように選択される請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記ｐエミッタは、前記延長導波路と接触している少なくとも一つのｐドープ層、および前記ｐコンタクトと接触している少なくとも一つのｐ＋ドープ層を含む請求項４６に記載の装置。
【請求項５０】
前記欠陥は、前記ｎ側に配置されかつ第一対の追加層の間に挟まれた電子のための第一の薄いトンネル障壁層、および前記ｐ側に配置されかつ第二対の追加層の間に挟まれた正孔のための第二の薄いトンネル障壁層をさらに含む請求項４０に記載の装置。
【請求項５１】
前記第一の薄いトンネル障壁層は、弱くドープされたｎ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される請求項５０に記載の装置。
【請求項５２】
前記第二の薄いトンネル障壁層は、弱くドープされたｐ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される請求項５０に記載の装置。
【請求項５３】
前記欠陥は、前記第一対の追加層の前記活性領域から離れた層と連続した厚いｎドープ層、および前記活性領域から離れた前記第二対の追加層と連続した厚いｐドープ層をさらに含む請求項５０に記載の装置。
【請求項５４】
前記第一対の追加層の少なくとも一方は、弱くドープしたｎ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される請求項５０に記載の装置。
【請求項５５】
前記第二対の追加層の少なくとも一方は、弱くドープしたｐ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される請求項５０に記載の装置。
【請求項５６】
前記発光デバイスと前記非線形光学結晶との間の外部キャビティにレンズを配置することをさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項５７】
前記レンズは、弱く発散する光ビームを平行光ビームに変換するように設計かつ構成される請求項５６に記載の装置。
【請求項５８】
前記光反射体は、前記平行ビームを反射できる平面光反射体である請求項５７に記載の装置。
【請求項５９】
光の周波数を変換する方法であって、
（ａ）延長導波路の基本横モードが低ビーム発散によって特徴付けられるように選択された延長導波路を有する端面発光半導体発光ダイオードである発光デバイスを使用して、第一周波数を有する光を出射すること、
（ｂ）光反射体を使用して、第一周波数を有するレーザ光を発生するためのフィードバックをもたらすように、前記発光デバイスと前記光反射体との間に画定される外部キャビティ内に前記光を複数回通過させること、および
（ｃ）前記外部キャビティに配置された非線形光学結晶を使用して、前記第一周波数を前記第一周波数とは異なる第二周波数に変換し、それによって前記第二周波数を有するレーザ光を与えること、
を含む方法。
【請求項６０】
前記光を出射することは、前記延長導波路を注入電流にさらすことによる請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記発光デバイスのストライプ長および前記注入電流は、前記注入電流だけでは非コヒーレント光が発生し、前記注入電流および前記フィードバックの結合によって前記第一周波数を有する前記レーザ光が発生するように選択される請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記外部キャビティは、前記第一周波数を有する前記レーザ光が実質的に前記基本横モードで発生するように設計される請求項５９に記載の方法。
【請求項６３】
前記光反射体は、前記第二周波数以外の周波数を有する光を反射し、かつ前記第二周波数を有する光を透過するように選択される請求項５９に記載の方法。
【請求項６４】
前記発光デバイスは複数の層から形成される請求項５９に記載の方法。
【請求項６５】
前記発光デバイスは、前記延長導波路の第一側に隣接するｎエミッタおよび前記延長導波路の前記第二側に隣接するｐエミッタを備える請求項５９に記載の方法。
【請求項６６】
前記ｎエミッタは基板の第一面に形成され、前記基板はＩＩＩ−Ｖ族半導体である請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＳｂから構成される群から選択される請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記発光デバイスは、前記基板と接触しているｎコンタクト、および前記ｐエミッタと接触しているｐコンタクトを含む請求項６６に記載の方法。
【請求項６９】
前記ｐエミッタは、前記延長導波路と接触している少なくとも一つのｐドープ層、および前記ｐコンタクトと接触している少なくとも一つのｐ＋ドープ層を含む請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
前記延長導波路は、ｎ不純物をドープされた第一延長導波路領域とｐ不純物をドープされた第二延長導波路領域との間に形成された活性領域を備え、前記第一および前記第二延長導波路領域は光透過性である請求項６６に記載の方法。
【請求項７１】
前記活性領域は、前記基板のエネルギバンドギャップより狭幅であるエネルギバンドギャップによって特徴付けられる請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
前記活性領域は少なくとも一つの層を含む請求項７０に記載の方法。
【請求項７３】
前記活性領域は、量子井戸システム、量子細線システム、量子ドットシステム、およびそれらの組合せから構成される群から選択されたシステムを含む請求項７０に記載の方法。
【請求項７４】
前記ｎエミッタの厚さは１０マイクロメートルより大きい請求項６５に記載の方法。
【請求項７５】
前記発光デバイスの前ファセットは、反射防止コートを被覆される請求項５９に記載の方法。
【請求項７６】
前記発光デバイスの後ファセットは、高反射コートを被覆される請求項５９に記載の方法。
【請求項７７】
前記発光デバイスの後ファセットは、高反射コートを被覆される請求項７５に記載の方法。
【請求項７８】
前記高反射コートは複数の層を含む請求項７６に記載の方法。
【請求項７９】
前記高反射コートは、前記基本横モードにおける高反射性および高次横モードにおける低反射性を達成するのに充分な狭さである所定の阻止帯域によって特徴付けられる請求項７６に記載の方法。
【請求項８０】
前記光反射体は複数の層を含む請求項５９に記載の方法。
【請求項８１】
前記光反射体は、前記基本横モードにおける高反射性および高次横モードにおける低反射性を達成するのに充分な狭さである所定の阻止帯域によって特徴付けられる請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
前記高反射コートおよび前記光反射体は各々独立に、前記基本横モードにおける高反射性および高次横モードにおける低反射性を達成するのに充分な狭さである所定の阻止帯域によって特徴付けられる請求項７６に記載の方法。
【請求項８３】
前記非線形光学結晶は周波数変換効率によって特徴付けられ、さらに、前記高反射コートの前記阻止帯域の温度依存性は、前記周波数変換効率の温度依存性に等しい請求項７９に記載の方法。
【請求項８４】
前記非線形光学結晶は周波数変換効率によって特徴付けられ、さらに、前記光反射体の前記阻止帯域の温度依存性は、前記周波数変換効率の温度依存性に等しい請求項８１に記載の方法。
【請求項８５】
前記高反射コートの前記阻止帯域の温度依存性は、前記周波数変換効率の温度依存性に等しい請求項８２に記載の方法。
【請求項８６】
前記光反射体の前記阻止帯域の温度依存性は、前記周波数変換効率の温度依存性に等しい請求項８５に記載の方法。
【請求項８７】
前記第二周波数を有する光が前記発光デバイスに入射することを防止するように、スペクトル選択性フィルタを配置することをさらに含む請求項５９に記載の方法。
【請求項８８】
前記スペクトル選択性フィルタは、前記非線形光学結晶の前記発光デバイスに面する側に形成される請求項８７に記載の方法。
【請求項８９】
前記延長導波路は、前記延長導波路が可変屈折率によって特徴付けられるように、各々異なる屈折率を有する少なくとも二つの部分を含む請求項５９に記載の方法。
【請求項９０】
前記延長導波路の前記少なくとも二つの部分は、中間屈折率を有する第一部分および高い屈折率を有する第二部分を含み、前記第一および前記第二部分は、前記第一部分で前記基本横モードが発生し、前記第二部分に漏洩し、かつ前記発光デバイスの前ファセットから予め定められた角度で出射するように、設計かつ構成される請求項８９に記載の方法。
【請求項９１】
前記延長導波路の少なくとも一部分はフォトニックバンドギャップ結晶を含む請求項５９に記載の方法。
【請求項９２】
前記フォトニックバンドギャップ結晶は、周期的に変調される屈折率を有する構造を含み、前記構造は複数の層を含む請求項９１に記載の方法。
【請求項９３】
前記発光デバイスは、前記フォトニックバンドギャップ結晶の一つの層内に配置された、光を吸収できる少なくとも一つの吸収層を含む請求項９２に記載の方法。
【請求項９４】
前記発光デバイスは、複数の吸収層の各々が前記フォトニックバンドギャップ結晶の異なる層内に配置されるように構成された、複数の吸収層を含む請求項９２に記載の方法。
【請求項９５】
前記延長導波路の少なくとも一部分は、前記フォトニックバンドギャップ結晶の第一面に隣接する欠陥を含み、前記欠陥および前記フォトニックバンドギャップ結晶は、前記基本横モードが前記欠陥部分に限定され、他の全てのモードが前記フォトニックバンドギャップ結晶全体に延在するように選択される請求項９１に記載の方法。
【請求項９６】
前記欠陥はｎ側およびｐ側を有する活性領域を含み、前記活性領域は注入電流にさらされたときに光を出射することができる請求項９５に記載の方法。
【請求項９７】
前記フォトニックバンドギャップ結晶および前記欠陥の総厚さは、前記低いビーム発散を可能にするように選択される請求項９５に記載の方法。
【請求項９８】
前記発光デバイスは、前記フォトニックバンドギャップ結晶の第二面に隣接するｎエミッタ、および前記欠陥により前記フォトニックバンドギャップ結晶から離され、かつ前記欠陥に隣接するｐエミッタを含む請求項９５に記載の方法。
【請求項９９】
前記発光デバイスは可変屈折率を有するｐドープ層構造を含み、前記ｐドープ層構造は前記ｐエミッタと前記欠陥との間に存する請求項９８に記載の方法。
【請求項１００】
前記ｎエミッタは基板の第一面に形成され、前記基板はＩＩＩ−Ｖ族半導体である請求項９８に記載の方法。
【請求項１０１】
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＳｂから構成される群から選択される請求項１００に記載の方法。
【請求項１０２】
前記発光デバイスは、前記基板と接触しているｎコンタクト、および前記ｐエミッタと接触しているｐコンタクトを含む請求項１００に記載の方法。
【請求項１０３】
前記発光デバイスは可変屈折率を有するｐドープ層構造を含み、前記ｐドープ層構造は前記ｐエミッタと前記欠陥との間に存する請求項１０２に記載の方法。
【請求項１０４】
前記可変屈折率は、前記基本横モードが前記ｎコンタクトおよび／または前記ｐコンタクトまで及ぶことを防止するように選択される請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０５】
前記ｐエミッタは、前記延長導波路と接触している少なくとも一つのｐドープ層、および前記ｐコンタクトと接触している少なくとも一つのｐ＋ドープ層を含む請求項１０２に記載の方法。
【請求項１０６】
前記欠陥は、前記ｎ側に配置されかつ第一対の追加層の間に挟まれた電子のための第一の薄いトンネル障壁層、および前記ｐ側に配置されかつ第二対の追加層の間に挟まれた正孔のための第二の薄いトンネル障壁層をさらに含む請求項９６に記載の方法。
【請求項１０７】
前記第一の薄いトンネル障壁層は、弱くドープされたｎ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される請求項１０６に記載の方法。
【請求項１０８】
前記第二の薄いトンネル障壁層は、弱くドープされたｐ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される請求項１０６に記載の方法。
【請求項１０９】
前記欠陥は、前記第一対の追加層の前記活性領域から離れた層と連続した厚いｎドープ層、および前記活性領域から離れた前記第二対の追加層と連続した厚いｐドープ層をさらに含む請求項１０６に記載の方法。
【請求項１１０】
前記第一対の追加層の少なくとも一方は、弱くドープしたｎ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される請求項１０６に記載の方法。
【請求項１１１】
前記第二対の追加層の少なくとも一方は、弱くドープしたｐ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される請求項１０６に記載の方法。
【請求項１１２】
レンズを使用して弱く発散するビームを平行ビームに変換することをさらに含む請求項５９に記載の方法。
【請求項１１３】
前記光反射体は、前記平行ビームを反射できる平面光反射体である請求項１１２に記載の方法。
【請求項１１４】
光の周波数変換のための装置を製造する方法であって、
（ａ）延長導波路の基本横モードが低ビーム発散によって特徴付けられるように選択された延長導波路を有する端面発光半導体発光ダイオードである、第一周波数を有する光を出射するための発光デバイスを用意すること、
（ｂ）前記発光デバイスと光反射体との間に画定される外部キャビティ内を光が複数回通過しかつ前記第一周波数を有するレーザ光を発生するためのフィードバックをもたらすように構成かつ設計された光反射体を用意し、かつ前記光反射体を前記発光デバイスに対向して配置すること、および
（ｃ）前記第一周波数を有する前記レーザ光が非線形光学結晶を複数回通過したときに、前記第一周波数が前記第一周波数とは異なる第二周波数に変換されるように選択された非線形光学結晶を用意し、前記非線形光学結晶を外部キャビティ内に配置すること、
を含む方法。
【請求項１１５】
少なくとも一つの追加発光デバイスを設けることをさらに含む請求項１１４に記載の方法。
【請求項１１６】
前記延長導波路は、注入電流にさらされたときに、光を出射することができる請求項１１４に記載の方法。
【請求項１１７】
前記発光デバイスのストライプ長および前記注入電流は、前記注入電流だけでは非コヒーレント光が発生し、前記注入電流および前記フィードバックの結合によって前記第一周波数を有する前記レーザ光が発生するように選択される請求項１１６に記載の方法。
【請求項１１８】
前記外部キャビティは、前記第一周波数を有する前記レーザ光が実質的に前記基本横モードで発生するように設計される請求項１１４に記載の方法。
【請求項１１９】
前記光反射体は、前記第二周波数以外の周波数を有する光を反射し、かつ前記第二周波数を有する光を透過するように選択される請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２０】
前記発光デバイスは複数の層から形成される請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２１】
前記発光デバイスは、前記延長導波路の第一側に隣接するｎエミッタおよび前記延長導波路の第二側に隣接するｐエミッタを備える請求項１１４に記載の方法。
【請求項１２２】
前記ｎエミッタは基板の第一面に形成され、前記基板はＩＩＩ−Ｖ族半導体である請求項１２１に記載の方法。
【請求項１２３】
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＳｂから構成される群から選択される請求項１２２に記載の方法。
【請求項１２４】
前記発光デバイスは、前記基板と接触しているｎコンタクト、および前記ｐエミッタと接触しているｐコンタクトを含む請求項１２２に記載の方法。
【請求項１２５】
前記ｐエミッタは、前記延長導波路と接触している少なくとも一つのｐドープ層、および前記ｐコンタクトと接触している少なくとも一つのｐ＋ドープ層を含む請求項１２４に記載の方法。
【請求項１２６】
前記延長導波路は、ｎ不純物をドープされた第一延長導波路領域とｐ不純物をドープされた第二延長導波路領域との間に形成された活性領域を備え、前記第一および前記第二延長導波路領域は光透過性である請求項１２２に記載の方法。
【請求項１２７】
前記活性領域は、前記基板のエネルギバンドギャップより狭幅であるエネルギバンドギャップによって特徴付けられる請求項１２６に記載の方法。
【請求項１２８】
前記活性領域は少なくとも一つの層を含む請求項１２６に記載の方法。
【請求項１２９】
前記活性領域は、量子井戸システム、量子細線システム、量子ドットシステム、およびそれらの組合せから構成される群から選択されたシステムを含む請求項１２６に記載の方法。
【請求項１３０】
前記ｎエミッタの厚さは１０マイクロメートルより大きい請求項１２１に記載の方法。
【請求項１３１】
前記発光デバイスの前ファセットを反射防止コートによって被覆することをさらに含む請求項１１４に記載の方法。
【請求項１３２】
前記発光デバイスの後ファセットを高反射コートによって被覆することをさらに含む請求項１１４に記載の方法。
【請求項１３３】
前記発光デバイスの後ファセットを高反射コートによって被覆することをさらに含む請求項１３１に記載の方法。
【請求項１３４】
前記高反射コートは複数の層を含む請求項１３２に記載の方法。
【請求項１３５】
前記高反射コートは、前記基本横モードにおける高反射性および高次横モードにおける低反射性を達成するのに充分な狭さである所定の阻止帯域によって特徴付けられる請求項１３２に記載の方法。
【請求項１３６】
前記光反射体は複数の層を含む請求項１１４に記載の方法。
【請求項１３７】
前記光反射体は、前記基本横モードにおける高反射性および高次横モードにおける低反射性を達成するのに充分な狭さである所定の阻止帯域によって特徴付けられる請求項１３６に記載の方法。
【請求項１３８】
前記高反射コートおよび前記光反射体は各々独立に、前記基本横モードにおける高反射性および高次横モードにおける低反射性を達成するのに充分な狭さである所定の阻止帯域によって特徴付けられる請求項１３２に記載の方法。
【請求項１３９】
前記非線形光学結晶は周波数変換効率によって特徴付けられ、さらに、前記高反射コートの前記阻止帯域の温度依存性は、前記周波数変換効率の温度依存性に等しい請求項１３５に記載の方法。
【請求項１４０】
前記非線形光学結晶は周波数変換効率によって特徴付けられ、さらに、前記光反射体の前記阻止帯域の温度依存性は、前記周波数変換効率の温度依存性に等しい請求項１３７に記載の方法。
【請求項１４１】
前記高反射コートの前記阻止帯域の温度依存性は、前記周波数変換効率の温度依存性に等しい請求項１３８に記載の方法。
【請求項１４２】
前記光反射体の前記阻止帯域の温度依存性は、前記周波数変換効率の温度依存性に等しい請求項１４１に記載の方法。
【請求項１４３】
スペクトル選択性フィルタを用意し、前記第二周波数を有する光が前記発光デバイスに入射することを防止するように、前記スペクトル選択性フィルタを配置することをさらに含む請求項１１４に記載の方法。
【請求項１４４】
前記スペクトル選択性フィルタは、前記非線形光学結晶の前記発光デバイスに面する側に形成される請求項１４３に記載の方法。
【請求項１４５】
前記延長導波路は、前記延長導波路が可変屈折率によって特徴付けられるように、各々異なる屈折率を有する少なくとも二つの部分を含む請求項１１４に記載の方法。
【請求項１４６】
前記延長導波路の前記少なくとも二つの部分は、中間屈折率を有する第一部分および高い屈折率を有する第二部分を含み、前記第一および前記第二部分は、前記第一部分で前記基本横モードが発生し、前記第二部分に漏洩し、かつ前記発光デバイスの前ファセットから予め定められた角度で出射するように、設計かつ構成される請求項１４５に記載の方法。
【請求項１４７】
前記延長導波路の少なくとも一部分はフォトニックバンドギャップ結晶を含む請求項１１４に記載の方法。
【請求項１４８】
前記フォトニックバンドギャップ結晶は、周期的に変調される屈折率を有する構造を含み、前記構造は複数の層を含む請求項１４７に記載の方法。
【請求項１４９】
前記発光デバイスは、前記フォトニックバンドギャップ結晶の一つの層内に配置された、光を吸収できる少なくとも一つの吸収層を含む請求項１４８に記載の方法。
【請求項１５０】
前記発光デバイスは、複数の吸収層の各々が前記フォトニックバンドギャップ結晶の異なる層内に配置されるように構成された、複数の吸収層を含む請求項１４８に記載の方法。
【請求項１５１】
前記延長導波路の少なくとも一部分は、前記フォトニックバンドギャップ結晶の第一面に隣接する欠陥を含み、前記欠陥および前記フォトニックバンドギャップ結晶は、前記基本横モードが前記欠陥部分に限定され、他の全てのモードが前記フォトニックバンドギャップ結晶全体に延在するように選択される請求項１４７に記載の方法。
【請求項１５２】
前記欠陥はｎ側およびｐ側を有する活性領域を含み、前記活性領域は注入電流にさらされたときに光を出射することができる請求項１５１に記載の方法。
【請求項１５３】
前記フォトニックバンドギャップ結晶および前記欠陥の総厚さは、前記低いビーム発散を可能にするように選択される請求項１５１に記載の方法。
【請求項１５４】
前記発光デバイスは、前記フォトニックバンドギャップ結晶の第二面に隣接するｎエミッタ、および前記欠陥により前記フォトニックバンドギャップ結晶から離され、かつ前記欠陥に隣接するｐエミッタを含む請求項１５３に記載の方法。
【請求項１５５】
前記発光デバイスは可変屈折率を有するｐドープ層構造を含み、前記ｐドープ層構造は前記ｐエミッタと前記欠陥との間に存する請求項１５４に記載の方法。
【請求項１５６】
前記ｎエミッタは基板の第一面に形成され、前記基板はＩＩＩ−Ｖ族半導体である請求項１５４に記載の方法。
【請求項１５７】
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＳｂから構成される群から選択される請求項１５６に記載の方法。
【請求項１５８】
前記発光デバイスは、前記基板と接触しているｎコンタクト、および前記ｐエミッタと接触しているｐコンタクトを含む請求項１５６に記載の方法。
【請求項１５９】
前記発光デバイスは可変屈折率を有するｐドープ層構造を含み、前記ｐドープ層構造は前記ｐエミッタと前記欠陥との間に存する請求項１５８に記載の方法。
【請求項１６０】
前記可変屈折率は、前記基本横モードが前記ｎコンタクトおよび／または前記ｐコンタクトまで及ぶことを防止するように選択される請求項１５９に記載の方法。
【請求項１６１】
前記ｐエミッタは、前記延長導波路と接触している少なくとも一つのｐドープ層、および前記ｐコンタクトと接触している少なくとも一つのｐ＋ドープ層を含む請求項１５８に記載の方法。
【請求項１６２】
前記欠陥は、前記ｎ側に配置されかつ第一対の追加層の間に挟まれた電子のための第一の薄いトンネル障壁層、および前記ｐ側に配置されかつ第二対の追加層の間に挟まれた正孔のための第二の薄いトンネル障壁層をさらに含む請求項１５４に記載の方法。
【請求項１６３】
前記第一の薄いトンネル障壁層は、弱くドープされたｎ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される請求項１６２に記載の方法。
【請求項１６４】
前記第二の薄いトンネル障壁層は、弱くドープされたｐ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される請求項１６２に記載の方法。
【請求項１６５】
前記欠陥は、前記第一対の追加層の前記活性領域から離れた層と連続した厚いｎドープ層、および前記活性領域から離れた前記第二対の追加層と連続した厚いｐドープ層をさらに含む請求項１６２に記載の方法。
【請求項１６６】
前記第一対の追加層の少なくとも一方は、弱くドープしたｎ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される請求項１６２に記載の方法。
【請求項１６７】
前記第二対の追加層の少なくとも一方は、弱くドープしたｐ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される請求項１６２に記載の方法。
【請求項１６８】
レンズを用意し、前記発光デバイスと前記非線形光学結晶との間の前記外部キャビティに前記レンズを配置することをさらに含む請求項１１４に記載の方法。
【請求項１６９】
前記レンズは、弱く発散する光ビームを平行光ビームに変換するように設計かつ構成される請求項１６８に記載の方法。
【請求項１７０】
前記光反射体は、前記平行ビームを反射できる平面光反射体である請求項１６９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学に関し、さらに詳しくは、ダイオードレーザ構造に基づいて光を周波数変換するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、光ファイバ伝送システム、信号増幅システム、波長分割多重伝送システム、波長分割スイッチングシステム、波長クロスコネクトシステム、および類似物において重要な役割を果たす。加えて、半導体レーザは光学測定の分野で有用である。
【０００３】
半導体レーザ（１９５９年に初めて提案された）は、非平衡キャリアを半導体活性媒体中に電流注入し、結果的に反転分布、およびレージングを達成するのに充分なモード利得を生じることに基づく。
【０００４】
今、図面について言及すると、現在レーザ市場を支配する基本的に二種類の半導体レーザがあり、それらを図１ａ〜ｂに示す。図１ａは、フォトンが高フィネスのキャビティ内を垂直方向（図１ａで上方向）に巡回する、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を表わす。このレーザでは、キャビティは非常に短く、かつ１サイクル当りの利得は非常に低い。したがって、各反射における非常に低い損失を確実にすることが重要な鍵であり、さもなくば、レージングは不可能になるか、あるいは連続波動作に適さない、非常に大きな電流密度が必要になる。１９６２年に最初に提案されて以来、ＶＣＳＥＬはきわめて一般的になってきた。ＶＣＳＥＬは小型にすることができ、低い閾電流で動作することができ、かつ非常に生産し易いプレーナ技術で生産される。
【０００５】
別の種類の半導体レーザは端面発光レーザであり、それを図１ｂに示す。このレーザでは、活性媒体（例えば薄層）は周囲のクラッド層より大きい屈折率を有する導波路内に配置され、導波路内のレーザ光の閉込めを確実にする。生成される光は、３０°〜６０°の一般的に大きい角度でデバイスのファセット出口で回折する。端面発光レーザの利点は、高い光出力パワーと同時に実現される、その小さい出力アパーチャである。ＶＣＳＥＬに対する端面発光レーザの不利点は、円形出力アパーチャを使用する場合にしばしば発生する非点収差現象である。加えて、ＶＣＳＥＬとは対照的に、端面発光レーザでは、温度が上昇すると、温度上昇による半導体のバンドギャップナローイングを原因とする有意の波長シフトが結果的に生じる。
【０００６】
全ての半導体レーザの欠点の一つは、放射光の波長（または周波数）が、半導体材料のエネルギバンドギャップの値によってもたらされる値に制限されることである。利用可能な波長はさらに、量子井戸、量子細線、または量子ドットヘテロ構造として知られる様々な構造によるキャリアの局在化のため、より大きい値にシフトすることがある（いわゆる赤方偏移）。半導体レーザ技術はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に対してよく開発されており、６００ｎｍを超える波長を対象とする。現在知られている６００ｎｍ未満（例えば紫外ないし緑色のスペクトル範囲）の半導体レーザは、ずっと未開発である。
【０００７】
半導体レーザのさらなる不利点は、低ビーム品質、幅広スペクトル、および波長の温度安定性が低いことである。
【０００８】
半導体レーザから出力される光の波長を変換する非線形光学技術を基本的に使用して、６００ｎｍ未満の光を発生する幾つかの方法が提案されてきた。これらの技術は、極めて広いスペクトル範囲の、例えば中間赤外（中間ＩＲ）から可視光までの光を発生することができる。周波数変換技術の例として、和周波発生（ＳＦＧ）、周波数二逓倍（これはＳＦＧの特殊例である）、差周波発生（ＤＦＧ）、および光パラメトリック発生が挙げられる。
【０００９】
過去１０年に、周波数変換のプロセスは、防衛用途向けの増強パワーレベルの中間ＩＲ放射を発生するマルチワットＡｒ＋イオンレーザおよび光パラメトリック発振器に取って代わる、周波数二逓倍緑色光源のような製品の製造により、商業的に利用可能になってきた。
【００１０】
例えば、米国特許第５１７５７４１号は、単一非線形光学（ＮＬＯ）結晶を使用する波長変換方法を開示しており、その内容を参照によってここに組み込む。固体レーザは半導体レーザによって励起され、固定レーザによって発振されたレーザビームを発生する。次いでＮＬＯ結晶は、レーザビームの波長および励起レーザビームの波長を、該レーザビームの周波数の和の周波数を持つ波の波長に変換する。
【００１１】
周波数変換プロセスにおける固体レーザの必要性は一般的に、幾つかの論拠に動機付けられている。第一に、固体レーザは、低いビーム発散および低い非点収差を持つ高品質のレーザビームを提供する。第二に、レーザビームのスペクトル幅は、ＮＬＯ結晶の最大波長変換効率を可能にするのに充分小さい。例えば、ＫＮｂＯ３結晶の場合、変換効率ピークの半値全幅は一般的に約０．５ｎｍである。したがって、０．１ｎｍ未満のスペクトル幅を持つ固体レーザは、ＫＮｂＯ３による周波数変換に好適である。
【００１２】
しかし、上記技術は以下の非効率性限界を免れない。半導体ダイオードレーザから固体レーザへの光変換の最大パワー変換効率は、３０％以下である。他方、ＮＬＯ結晶を使用した固体レーザの第二高調波への周波数変換効率は、７０％もの高さにすることができる。したがって、プロセスの非効率性は、ダイオードレーザ（またはランプ）光を固体レーザ光に変換する工程に由来する。
【００１３】
効率を改善するための技術案は、例えば米国特許第５９９１３１７号および第６２４１７２０号に開示されており、それらの内容を参照によってここに組み込む。これらの技術では、キャビティ内変換の概念が使用される。例えば米国特許第５９９１３１７号は、二つまたはそれ以上の共振器ミラーによって画定される共振器キャビティを開示している。レーザ結晶および幾つかのＮＬＯ結晶が共振器キャビティ内に配置される。ダイオードポンプ源はポンプビームをレーザ結晶に供給し、複数の軸モードを持つレーザビームを発生して、ＮＬＯ結晶に入射し、周波数二逓倍（または三逓倍）出力ビームを生成する。
【００１４】
しかし、これらの技術の変換効率は依然としてかなり低い。低い変換効率は高パワーのダイオードレーザを必要とし、それは必然的に冷却しなければならないことが認識されている。したがって、非効率の問題は、全エネルギの少なくとも９０％を占める加熱によるエネルギ損失のため、一層悪化する。
【００１５】
加えて、変換効率に関するＮＬＯ結晶の最適波長は、温度に依存する（例えばＫＮｂＯ３の場合、元の周波数は０．２８ｎｍ／°Ｋである）。これは、波長が安定している固体レーザとは反対である。効率的な動作のために、ＮＬＯ結晶の温度は、システムにコンポーネントを追加することによって正確に制御され、それによって設計の複雑さが増大する。
【００１６】
別の不利点は、固体レーザが厳格に画定された波長を有し、任意の周波数変換波長を得る可能性が制限されることである。
【００１７】
上記の技術では、ダイオードレーザが励起のために使用される一方、周波数変換は固体レーザを使用して間接的に実行される。周波数変換の効率を改善するための代替的解決策は、直接的周波数変換のために端面発光ダイオードレーザを使用することである。しかし、そのようなレーザの場合、レーザ波長と最適なＮＬＯ結晶の波長とを一致させることは、第一に発生する光の広いスペクトルのため、第二にレージング波長が温度に依存するため、極めて困難である。
【００１８】
別の不利点は、ダイオードレーザの非常に高いビーム発散である。この発散は、要求される結晶学的方向に対するレーザビームの強い偏移を引き起こし、加えてデバイスの性能を破壊する。
【００１９】
ビーム発散の補正は一般的に、ポンプ放射がＮＬＯ結晶の表面に合焦するように配置される、数個のレンズが関係する複雑な調整を必要とする［この目的のために、例えばＳｉｍｏｎ，Ｕ．らの「Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ＡｇＧａＳ２  ｂｙ  Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｕｍｐ  Ｓｏｕｒｃｅｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１８，Ｎｏ．１３：１０６２−１０６４、１９９３、ならびに米国特許第５９１２９１０号、第６２２９８２８号、および第６３０４５８５号を参照されたい］。しかし、レーザ出力を平行ビームに変換するために使用される追加のレンズは、ビーム径を著しく広げさせ、したがって、効率的な波長変換のための重要な要件であるパワー密度を低減させることが知られている。これらの問題の結果、端面発光ダイオードレーザは直接周波数変換用には商業的に使用されず、たいていは固体レーザ用の励起源として適用される。
【００２０】
直接周波数変換のために半導体ダイオードレーザを使用するさらに別のシステムは米国特許第６０９７５４０号に開示されている。このシステムでは、多くのレーザによって発生されるビームが、レンズおよびミラーのシステムによって単一のビームに合成され、ＮＬＯ結晶の表面に向けられる。しかし、この解決策は、提案されたシステムが非常に複雑かつ高価であり、多数のレーザを含み、特別キャビティの変換を提供するだけであり、かつ波長安定しないので、他の技術に勝る顕著な利点をもたらすものではない。
【００２１】
したがって、上記の限界を持たない周波数変換のための装置に対する必要性が幅広く認識されており、それを持つことは非常に有利であろう。
【発明の開示】
【００２２】
本発明の一態様では、光の周波数変換のための装置において、（ａ）第一周波数を有する光を出射するための発光デバイスであって、延長導波路の基本横モードが低ビーム発散によって特徴付けられるように選択された延長導波路を有する端面発光半導体発光ダイオードである発光デバイスと、（ｂ）発光デバイスと光反射体との間に画定される外部キャビティを光が複数回通過し、かつ第一周波数を有するレーザ光を発生するためのフィードバックをもたらすように、構成かつ設計された光反射体と、（ｃ）外部キャビティ内に配置された非線形光学結晶であって、第一周波数を有するレーザ光が非線形光学結晶を複数回通過したときに、第一周波数が第一周波数とは異なる第二周波数に変換されるように選択された非線形光学結晶と、を備えた装置を提供する。
【００２３】
下述する本発明の好適な実施形態におけるさらなる特徴によると、該装置は少なくとも一つの追加発光デバイスをさらに備える。
【００２４】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、前記少なくとも一つの追加発光デバイスのうちの少なくとも一つは、延長導波路を有する端面発光半導体ダイオードである。
【００２５】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該装置は、第二周波数を有する光第二周波数を有する光が発光デバイスに入射することを防止するように配置されたスペクトル選択性フィルタをさらに備える。
【００２６】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該装置は、発光デバイスと非線形光学結晶との間の外部キャビティ内に配置されたレンズをさらに備える。
【００２７】
本発明の別の態様では、光の周波数を変換する方法であって、（ａ）延長導波路の基本横モードが低ビーム発散によって特徴付けられるように選択された延長導波路を有する端面発光半導体発光ダイオードである発光デバイスを使用して、第一周波数を有する光を出射すること、（ｂ）光反射体を使用して、第一周波数を有するレーザ光を発生するためのフィードバックをもたらすように、発光デバイスと光反射体との間に画定される外部キャビティ内に光を複数回通過させること、および（ｃ）外部キャビティに配置された非線形光学結晶を使用して、レーザ光の第一周波数を第一周波数とは異なる第二周波数に変換すること、を含む方法を提供する。
【００２８】
下述する本発明の好適な実施形態のさらなる特徴によると、該方法は、延長導波路を注入電流にさらすことによって、光を出射することをさらに含む。
【００２９】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法は、わずかに発散する光ビームを、レンズを使用して、平行光ビームに変換することをさらに含む。
【００３０】
本発明の追加の態様では、光の周波数変換のための装置を製造する方法であって、（ａ）延長導波路の基本横モードが低ビーム発散によって特徴付けられるように選択された延長導波路を有する端面発光半導体発光ダイオードである、第一周波数を有する光を出射するための発光デバイスを用意すること、（ｂ）発光デバイスと光反射体との間に画定される外部キャビティ内を光が複数回通過しかつ第一周波数を有するレーザ光を発生するためのフィードバックをもたらすように構成かつ設計された光反射体を用意し、かつ該光反射体を発光デバイスに対向して配置すること、および（ｃ）第一周波数を有するレーザ光が非線形光学結晶を複数回通過したときに、第一周波数が第一周波数とは異なる第二周波数に変換されるように選択された非線形光学結晶を用意し、該非線形光学結晶を外部キャビティ内に配置すること、を含む方法を提供する。
【００３１】
下述する本発明の好適な実施形態のさらなる特徴によると、該方法は、少なくとも一つの追加発光デバイスを設けることをさらに含む。
【００３２】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、延長導波路は、注入電流にさらされたときに、光を出射することができる。
【００３３】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、発光デバイスのストライプ長および注入電流は、注入電流だけでは非コヒーレント光が発生し、注入電流およびフィードバックの結合によってレーザ光が発生するように選択される。
【００３４】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、外部キャビティは、レーザ光が実質的に基本横モードで発生するように設計される。
【００３５】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光反射体は、第二周波数以外の周波数を有する光を反射し、かつ第二周波数を有する光を透過するように選択される。
【００３６】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、発光デバイスは複数の層から形成される。
【００３７】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、発光デバイスは、延長導波路の第一側に隣接するｎエミッタおよび延長導波路の第二側に隣接するｐエミッタを備える。
【００３８】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、延長導波路は、ｎ不純物をドープされた第一延長導波路領域とｐ不純物をドープされた第二延長導波路領域との間に形成された活性領域を備え、第一および第二延長導波路領域は光透過性である。
【００３９】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、活性領域は少なくとも一つの層を含む。
【００４０】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、活性領域は、量子井戸システム、量子細線システム、量子ドットシステム、およびそれらの組合せから構成される群から選択されたシステムを含む。
【００４１】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ｎエミッタの厚さは１０マイクロメートルより大きい。
【００４２】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、発光デバイスの前ファセットは、反射防止コートを被覆される。
【００４３】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、発光デバイスの後ファセットは、高反射コートを被覆される。
【００４４】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、高反射コートは複数の層を含む。
【００４５】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、高反射コートは、基本横モードにおける高反射性および高次横モードにおける低反射性を達成するのに充分な狭さである所定の阻止帯域によって特徴付けられる。
【００４６】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光反射体は複数の層を含む。
【００４７】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光反射体は、基本横モードにおける高反射性および高次横モードにおける低反射性を達成するのに充分な狭さである所定の阻止帯域によって特徴付けられる。
【００４８】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、高反射コートおよび光反射体は各々独立に、基本横モードにおける高反射性および高次横モードにおける低反射性を達成するのに充分な狭さである所定の阻止帯域によって特徴付けられる。
【００４９】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、非線形光学結晶は周波数変換効率によって特徴付けられ、さらに、高反射コートの阻止帯域の温度依存性は、周波数変換効率の温度依存性に等しい。
【００５０】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、非線形光学結晶は周波数変換効率によって特徴付けられ、さらに、光反射体の阻止帯域の温度依存性は、周波数変換効率の温度依存性に等しい。
【００５１】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、高反射コートの阻止帯域の温度依存性は、周波数変換効率の温度依存性に等しい。
【００５２】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法は、スペクトル選択性フィルタを用意し、かつ、第二周波数を有する光が発光デバイスに入射することを防止するように、該スペクトル選択性フィルタを配置することをさらに含む。
【００５３】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、スペクトル選択性フィルタは、非線形光学結晶の発光デバイスに面する側に形成される。
【００５４】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、延長導波路は、延長導波路が可変屈折率によって特徴付けられるように、各々異なる屈折率を有する少なくとも二つの部分を含む。
【００５５】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、延長導波路の前記少なくとも二つの部分は、中間屈折率を有する第一部分および高い屈折率を有する第二部分を含み、第一および第二部分は、第一部分で基本横モードが発生し、第二部分に漏洩し、かつ発光デバイスの前ファセットから予め定められた角度で出射するように、設計かつ構成される。
【００５６】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、延長導波路の少なくとも一部分はフォトニックバンドギャップ結晶を含む。
【００５７】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、フォトニックバンドギャップ結晶は、周期的に変調される屈折率を有する構造を含み、該構造は複数の層を含む。
【００５８】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、発光デバイスは、フォトニックバンドギャップ結晶の少なくとも一層内に配置された、光を吸収できる少なくとも一つの吸収層を含む。
【００５９】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、発光デバイスは、複数の吸収層の各々がフォトニックバンドギャップ結晶の異なる層内に配置されるように構成された、複数の吸収層を含む。
【００６０】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、延長導波路の少なくとも一部分は、フォトニックバンドギャップ結晶の第一面に隣接する欠陥を含み、該欠陥およびフォトニックバンドギャップ結晶は、基本横モードが欠陥部分に限定され、他の全てのモードがフォトニックバンドギャップ結晶全体に延在するように選択される。
【００６１】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、欠陥はｎ側およびｐ側を有する活性領域を含み、該活性領域は注入電流にさらされたときに光を出射することができる。
【００６２】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、フォトニックバンドギャップ結晶および欠陥の総厚さは、低いビーム発散を可能にするように選択される。
【００６３】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、発光デバイスは、フォトニックバンドギャップ結晶の第二面に隣接するｎエミッタ、および欠陥によりフォトニックバンドギャップ結晶から離され、なおかつ欠陥に隣接するｐエミッタを含む。
【００６４】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、発光デバイスは可変屈折率を有するｐドープ層構造を含み、該ｐドープ層構造はｐエミッタと欠陥との間に存する。
【００６５】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ｎエミッタは基板の第一面に形成され、該基板はＩＩＩ−Ｖ族半導体である。
【００６６】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＳｂから構成される群から選択される。
【００６７】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、活性領域は、基板のエネルギバンドギャップより狭幅であるエネルギバンドギャップによって特徴付けられる。
【００６８】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、発光デバイスは、基板と接触しているｎコンタクト、およびｐエミッタと接触しているｐコンタクトを含む。
【００６９】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、可変屈折率は、基本横モードがｎコンタクトおよび／またはｐコンタクトまで及ぶことを防止するように選択される。
【００７０】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ｐエミッタは、延長導波路と接触している少なくとも一つのｐドープ層、およびｐコンタクトと接触している少なくともｐ＋ドープ層を含む。
【００７１】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、欠陥は、活性領域のｎ側に配置されかつ第一対の追加層の間に挟まれた電子用の第一の薄いトンネル障壁層、および活性領域のｐ側に配置されかつ第二対の追加層の間に挟まれた正孔用の第二の薄いトンネル障壁層をさらに含む。
【００７２】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第一の薄いトンネル障壁層は、弱くドープされたｎ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される。
【００７３】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第二の薄いトンネル障壁層は、弱くドープされたｐ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される。
【００７４】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、欠陥は、第一対の追加層の活性領域から離れた層と連続した厚いｎドープ層、および活性領域から離れた第二対の追加層と連続した厚いｐドープ層をさらに含む。
【００７５】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第一対の追加層の少なくとも一方は、弱くドープしたｎ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される。
【００７６】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第二対の追加層の少なくとも一方は、弱くドープしたｐ層およびアンドープ層から構成される群から選択された材料から形成される。
【００７７】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法は、レンズを用意し、かつ発光デバイスと非線形光学結晶との間の外部キャビティに該レンズを配置することをさらに含む。
【００７８】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、レンズは、弱く発散する光ビームを平行光ビームに変換するように設計かつ構成される。
【００７９】
上記の好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光反射体は、平行ビームを反射できる平面光反射体である。
【００８０】
本発明は、先行技術よりはるかに優れた周波数変換のための装置を提供することによって、現在公知の概念および構成の欠点に対処することに成功している。
【００８１】
特に定義しない限り、本書で使用する全ての科学技術用語は、本発明が属する技術分野の通常の熟練者が一般的に理解しているのと同じ意味を有する。本書に記載するのと同様または同等の方法および材料を本発明の実施または試験に使用することができるが、以下では適切な方法および材料を記載する。矛盾する場合、定義を含め、本明細書が支配する。加えて、材料、方法、および実施例は単なる例証であって、限定の意図は無い。
【００８２】
本発明をここで、単なる例として添付の図面を参照しながら説明する。今、図面の詳細を参照しながら、図示する細部は単なる例であって、本発明の好適な実施形態の分かり易い議論を目的としており、本発明の原理および概念的態様の最も有用かつ容易に理解される説明であると信じられるものを提供するために提示することを強調したい。これに関連して、本発明の基本的理解に必要である以上に詳しく本発明の構造的細部を示そうとはせず、図面に即した説明は、本発明の幾つかの形態をいかにして実際に具現することができるかを、当業者に明らかにするものである。
図１ａは先行技術の垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の略図である。
図１ｂは先行技術の端面発光レーザの略図である。
図２はＶＣＳＥＬに基く先行技術の周波数変換装置の略図である。
図３は本発明に係る光の周波数変換の装置の略図である。
図４は発光デバイスの異なるファセットに形成された反射防止コートおよび高反射コートを含む、本発明に係る周波数変換のための装置の略図である。
図５は発光デバイスがフォトニックバンドギャップ結晶を含んで成る、本発明に係る周波数変換のための装置の略図である。
図６は一次光を発生するために漏洩レーザが使用される、本発明に係る周波数変換のための装置の略図である。
図７は平行ビームを提供するためのレンズおよび平面光反射体を備えた、本発明に係る周波数変換のための装置の略図である。
図８は発光デバイスおよび光反射体上の追加の複数層コートを含む、本発明に係る周波数変換のための装置の略図である。
図９は本発明に係る、光の周波数を変換する方法のフローチャートである。
図１０は本発明に係る、周波数変換のための装置を製造する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８３】
本発明は、レーザ周波数を変換するために使用することのできる、周波数変換のための装置およびその方法である。詳しくは、本発明は、広いスペクトル範囲の周波数を有するレーザ光を提供するために使用することができる。さらに詳しくは、本発明は、例えば、特徴サイズを縮小することによって格納される情報の密度を増大するために短い波長が必要とされる光記憶の分野、またはフルカラー用途のために緑色および青色レーザが必要とされる投射型ディスプレイで使用することができる。本発明はさらに、該装置を製造する方法である。
【００８４】
図面の図３〜８に示す本発明のよりよい理解のために、最初に図２に示す従来の（つまり先行技術の）周波数変換装置の構成および動作を参照する。
【００８５】
図２は、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）に基く、先行技術の周波数変換装置を示す。
【００８６】
したがって、先行技術の装置は、基板１０２上にエピタキシャル生長した多層構造として製造された、ＶＣＳＥＬ型構造１０１を含む。ＶＣＳＥＬ型構造１０１は、底面分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１０３、および半導体キャビティ１０４内に配置された活性領域１０６を含む。この装置では、ＶＣＳＥＬ型構造１０１は頂面ＤＢＲを含まない。また、ＤＢＲ１０３に対して比較的低品質の頂面ＤＢＲを含む、同様の装置も当業界で公知である。
【００８７】
使用中、ＶＣＳＥＬ型構造１０１は外部レーザビーム１０９によって光励起されて、光を発生し、それは外部ミラー１１４によって反射されてＶＣＳＥＬ型構造１０１に戻る。ＶＣＳＥＬ型構造１０１およびレーザビーム１０９のパワーは、ミラー１１４から反射する光からの追加パワー無しには、ＶＣＳＥＬ型構造１０１がレーザ光を発生しないように選択される。ミラー１１４およびＶＣＳＥＬ型構造１０１は、半導体キャビティ１０４および外部キャビティ１１２を含む有効キャビティを画定する。有効キャビティは、レーザ光１１１を発生するのに充分な、増強された光のフィードバックを閉じ込める。外部キャビティ１１２内に配置されたＮＬＯ結晶１１３は、レーザ光１１１の周波数を（一般的にレーザ光１１１の周波数より高い）異なる周波数を持つレーザ光１１５に変換するために使用され、それは外部ミラー１１４を通して出射する。
【００８８】
ＶＣＳＥＬ構造は、一般的に１００μｍ程度の一次ビームの広いアパーチャを有することが知られている。広いアパーチャの利点は、レーザビーム発散が低いこと、および大きい損失無くＶＣＳＥＬアパーチャに戻る光を合焦させることが困難でないことである。外部ミラーの使用は、従来の外部キャビティ直接ダイオード励起の場合の低効率のシングルパス増幅とは対照的に、キャビティ内の光パワーの蓄積の実現を可能にする。
【００８９】
しかし、ＶＣＳＥＬ構造の光出力アパーチャは熱放散のための表面に等しいので、そのような構造から高いパワー密度を得ることは極めて困難である。
【００９０】
さらに、ＶＣＳＥＬ構造の光励起の必要性は、ＶＣＳＥＬの低パワー密度によってすでに制限されている装置の総合変換効率を劇的に低下させる。頂部コンタクト層の高い抵抗のため、ＶＣＳＥＬが注入電流によって均等に励起することができないことを、当業者は理解するであろう。したがって、上記および同様の先行技術の装置では、変換効率は光励起ＶＣＳＥＬの使用によって損なわれる。
【００９１】
上記限界に対する一つの解決策は、ＶＣＳＥＬを端面発光半導体レーザに置き換えることである（上記節の背景として図１ｂを参照されたい）。ＶＣＳＥＬに勝る端面発光レーザの利点は、二つある。つまり、（ｉ）端面発光レーザの物理的寸法は、効率的な熱放散のために充分であり、それは高いパワー密度を容易にすること、および（ｉｉ）事実上、光励起しか使用できないＶＣＳＥＬとは対照的に、端面発光レーザでは、直接電気励起を使用することができること、である。
【００９２】
しかし、現在公知の端面発光レーザは、一般的にサブマイクロメートル範囲の特に狭幅の導波路を有する。導波路の狭さのため、ミラーによって導波路に反射する光を、かなりのパワー損失無く、合焦させることは困難である。加えて、端面発光レーザは高いビーム発散を特徴とし、それはＮＬＯ結晶の最適な結晶学的方向に対するレーザ光の精確な配向を妨げる。
【００９３】
本発明は、本書で端面発光半導体発光ダイオードとも呼ぶ改善された端面発光レーザを有する、周波数変換装置を提供することによって、上記の問題に対する解決策を提供することに成功している。
【００９４】
したがって、本発明の一態様では、ここで一般的に装置１０と呼ぶ、光の周波数変換のための装置を提供する。
【００９５】
本発明の少なくとも一つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明はその適用を、以下の記述に記載しあるいは図面に示すコンポーネントの構成および配置の詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、あるいは様々な方法で実施または実行することができる。また、本書で使用する表現および用語法は、説明を目的とするものであって、限定とみなすべきではないことを理解されたい。
【００９６】
今、再び図面を参照すると、図３は、第一周波数を有する光を出射するための発光デバイス２０１を備えた装置１０の略図である。発光デバイス２０１は、導波路２０４の基本横モードが低ビーム発散によって特徴付けられるように選択された、延長導波路２０４を有する端面発光半導体発光ダイオードである。装置１０はさらに、発光デバイスと光反射体との間に画定される外部キャビティ２１２に配置された、光反射体２１４およびＮＬＯ結晶２１３を含む。ＮＬＯ結晶は、予め定められた周波数変換効率を特徴とする、ＫＮｂＯ３またはＬｉＮｂＯ３など、ただしそれらに限らず、任意の公知のＮＬＯ結晶とすることができる。
【００９７】
本発明の好適な実施形態では、導波路２０４は、例えば順バイアス２１８を使用して注入電流にさらされたときに、前ファセット２１０を通して光を出射することができる。好ましくは、発光デバイス２０１のストライプ長および注入電流は、注入電流がレージングのための最小限の条件を達成せず、むしろ非コヒーレント一次光を発生するように、選択される。
【００９８】
外部キャビティ２１２および導波路２０４は、光反射体２１４と導波路２０４の後ファセット２６９との間に画定される有効キャビティを形成する。装置１０の動作モード時に、この有効キャビティは、一次発光に追加フィードバックを提供し、したがってレーザ光２１１を発生する。
【００９９】
本発明の好適な実施形態では、図８に関連して下でさらに詳述するように、好ましくは多層構造から構成される充分に狭幅の阻止帯域の光反射体２１４の賢明な選択によって、レーザ光２１１の基本横モードの光反射体２１４からの高い反射性が達成される。通常の当業熟練者は、光反射体２１４の予め定められた狭幅阻止帯域が、レーザ光２１１の高次横モードの低反射を達成することにより、レーザ光２１１の望ましくないモードを阻止するためにも役立つことを理解されるであろう。
【０１００】
したがって、レーザ光２１１は、光２１１を第一周波数とは異なる第二周波数を有する変換レーザ光２１５に変換する、ＮＬＯ結晶２１３を複数回通過する。好ましくは、光反射体２１４は、第二周波数以外の周波数を有する光（例えば光２１１）を反射しかつ第二周波数を有する光（光２１５）を透過するように、選択される。さらに、装置１０の最適な変換効率を達成するために、光反射体２１４の阻止帯域は、ＮＬＯ２１３の周波数変換効率と同一（または同様の）温度依存性を有することが好ましい。したがって、ＮＬＯ結晶２１３の型、配向、幾何学的形状、および寸法によって、装置１０は、かなり低い波長を持つことができかつ高品質であるレーザ光を提供する。
【０１０１】
上述した本発明に係る装置１０のさらなる詳細説明を提供する前に、それによってもたらされる利点に注目する。
【０１０２】
したがって、本発明の好適な実施形態の特定の利点は、延長導波路２０４が単一モードレーザ光２１１を提供するようにした、発光デバイス２０１の設計である。延長導波路の使用は一般的に、レーザ光の複数の横光学モードの発生をもたらす。次いで、基本光学モードは導波路の方向に沿って伝播し、発光デバイス２０１の前ファセット２１０に直角を成す方向を中心とする狭幅遠視野図を示す。高次横光学モードの伝播は、この方向に対してある角度で起こると記述することができる。
【０１０３】
一般的に、高次モードの遠視野パターンは、基本モードのそれより著しく幅広であり、しばしばサイドローブを含む。光反射体２１４から前ファセット２１０へ反射して戻るときに、光反射体２１４の構成がそれに対して最適化されている基本モードの光とは対照的に、高次光学モードの光は部分的にキャビティから回折する。したがって、これらの回折損失は、高次モードの場合には顕著であり、基本モードの場合には無視できるほど小さくすることができる。換言すると、光反射体２１４によってもたらされるフィードバックは、基本モードの場合には強力であり、高次モードの場合には弱い。これは、注入電流、レーザストライプの長さ、外部ミラーの形状および位置に関する条件を満たすことを可能にするので、レージングは基本横モードでのみ発生する。
【０１０４】
上記は使用される発光デバイスの個数とは無関係の一般的利点であることを、通常の当業熟練者は理解するであろう。さらに詳しくは、本発明の好適な実施形態では、二個以上の発光デバイスを使用することができ、追加の発光デバイスによって発生した光は、特殊光学システムを介して、ＮＬＯ結晶２１３に向かわせることができる。次いで、発光デバイスの少なくとも一つが発光デバイス２０１と同様に製造されかつ動作することを前提として、和周波発生または差周波発生またはいずれかの他の周波数合成が可能である。
【０１０５】
本発明の好適な実施形態では、発光デバイス２０１は、好ましくはいずれかのＩＩＩ−Ｖ族半導体材料またはＩＩＩ−Ｖ族半導体合金、例えばＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、またはその他から形成された基板２０２上に生長する。さらに詳しくは、基板２０２はＧａＡｓから作成される。
【０１０６】
装置１０の際立った特徴は、前述の通り、基本横モードが低ビーム発散を有する光を提供する延長導波路２０４である。本発明の好適な実施形態では、導波路２０４はｎエミッタ２０３とｐエミッタ２２０との間に形成され、好ましくは、ｎエミッタ２０３は基板２０２上に直接生長し、かつ片側から導波路２０４に隣接する一方、ｐエミッタは反対側から導波路２０４に隣接する。
【０１０７】
延長導波路２０４は、ｎ不純物をドープされた第一導波路領域２０５とｐ不純物をドープされた第二導波路領域２０７との間に形成された活性領域２０６を含むことが好ましい。第一領域２０５および第二領域２０７は光透過性である。
【０１０８】
第一領域２０５および第二領域２０７は、基板２０２と格子整合またはほぼ格子整合する材料から形成された層、または多層構造であることが好ましい。
【０１０９】
第一導波路２０５に導入される不純物は、Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅのような、ただしそれらに限定されない、ドナー不純物である。代替的に第一導波路２０５は、圧倒的にカチオン副格子に組み込まれてドナー不純物として働くような技術的条件下で導入することのできる、Ｓｉ、Ｇｅ、およびＳｎのような、ただしそれらに限定されない、両性不純物をドープすることができる。したがって、第一導波路２０５は、分子ビームエキタキシによって生長しかつ約２×１０１７ｃｍ−３の濃度でＳｉ不純物をドープした、例えばＧａＡｓまたはＧａＡｌＡｓ層とすることができる。
【０１１０】
ここで使用する用語「約」とは±５０％を指す。
【０１１１】
第二導波路領域２０７に導入できる不純物は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、およびＭｎのような、ただしそれらに限定されない、アクセプタ不純物である。代替的に、第二導波路領域２０７は、圧倒的にアニオン副格子に組み込まれてアクセプタ不純物として働くような技術的条件下で導入することのできる、Ｓｉ、Ｇｅ、およびＳｎのような、ただしそれらに限定されない、両性不純物をドープすることができる。したがって、第二導波路領域２０７は、分子ビームエキタキシによって生長しかつ約２×１０１７ｃｍ−３の濃度でＢｅ不純物をドープした、例えばＧａＡｓまたはＧａＡｌＡｓ層とすることができる。
【０１１２】
活性領域２０６は、基板２０２のエネルギギャップより狭いエネルギバンドギャップを有するインサーション（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ）によって形成されることが好ましい。本発明の好適な実施形態では、活性領域２０６は、例えば量子井戸、量子細線、量子ドット、またはそれらのいずれかの組合せのシステムとすることができる。活性領域２０６は、単層システムまたは多層システムのいずれかとして形成することができる。基板２０２がＧａＡｓから作られた好適な実施形態では、活性領域２０６は例えばＩｎＡｓ、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＡｌｙＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＮｙ、または同様の材料のインサーションのシステムとすることができる。ここでｘおよびｙは合金組成を表わす。
【０１１３】
ｎエミッタ２０３は、基板２０２と格子整合またはほぼ格子整合する材料、例えば合金材Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓから形成されることが好ましい。加えて、ｎエミッタ２０３は好ましくは、発生する光を透過し、かつ上で詳述した第一導波路２０５のドーピングと同様に、ドナー不純物をドープすることが好ましい。
【０１１４】
本発明の好適な実施形態では、ｐエミッタ２２０は少なくとも一つのｐドープ層２０８および少なくとも一つのｐ＋ドープ層２０９を含み、ｐドープ層２０８は導波路２０４とｐ＋ドープ層２０９との間に配置される。ｐドープ層２０８およびｐ＋ドープ層２０９は両方とも光透過性であり、かつ基板２０２と格子整合またはほぼ格子整合する材料から形成することが好ましい。層２０８および２０９は、第二導波路領域２０７のドーピングと同様に、アクセプタ不純物をドープされる。層２０９と層２０８との間の相違はドーピングレベルにある。第二導波路領域２０７およびｐドープ層２０８のドーピングのレベルは同様であるが、ｐ＋ドープ層２０９のドーピングレベルはより高いことが好ましい。例えば、第二導波路領域２０７のドーピングレベルが約２×１０１７ｃｍ−３である実施形態では、ｐ＋ドープ層２０９は、分子ビームエキタキシによって生長しかつ約２×１０１９ｃｍ−３の濃度でＢｅ不純物をドープした、例えばＧａＡｌＡｓ層とすることができる。
【０１１５】
デバイス２０１の好適な厚さは１０μｍまたはそれ以上であり、好適なストライプ幅は約７μｍないし約１０μｍまたはそれ以上であり、デバイス２０１の好適な長さは約１０μｍまたはそれ以上である。
【０１１６】
前述の通り、発光デバイス２０１は、導波路２０４が単一モードレーザ光２１１を提供するように設計かつ構成される。これは、例えばｎエミッタ２０３およびｐドープ層２０８の屈折率を、導波路２０４の屈折率より低くなるように選択することによって達成される。そのような構成は、レーザ放射の基本横モードが導波路２０４内に閉じ込められ、ｎエミッタ２０３およびｐドープ層２０８で減衰することを確実にする。
【０１１７】
順バイアス２１８は、基板２０２と接触しているｎコンタクト２１６、およびｐエミッタ２２０（またはｐ＋ドープ層２０９）と接触しているｐコンタクト２１７を介して、発光デバイス２０１に接続することが好ましい。コンタクト２１６および２１７は、多層金属構造のような、ただしそれに限定されない、いずれかの公知の構造を使用して実現することができる。例えば、ｎコンタクト２１６はＮｉ−Ａｕ−Ｇｅの三層構造として形成することができ、ｐコンタクト２１７はＴｉ−Ｐｔ−Ａｕの三層構造として形成することができる。
【０１１８】
本発明の好適な実施形態では、装置１０はさらに、光２１５が発光デバイス２０１に入射することを防止するように配置された、スペクトル選択性フィルタ２６０を備える。一実施形態では、フィルタ２６０はＮＬＯ結晶２１３上に、発光デバイス２０１に対向して形成することができる。この実施形態では、フィルタ２６０は、例えばＳｉＯ２、ＭｇＦ２、またはＺｎＳのような、ただしそれらに限定されない、誘電体堆積物から形成することができる。
【０１１９】
図４に関連して、本発明の好適な実施形態では、発光デバイス２０１の前ファセット２１０および後ファセット２６９は、それぞれ反射防止コート３２０および高反射コート３１９で被覆することができる。
【０１２０】
高反射コート３１９は、後ファセット２６９を通しての損失を最小化するのに役立つ。これは、例えば反射の阻止帯域を有するコートを形成することによって行なうことができる。コート３１９の阻止帯域は、基本横モードの高反射および高次横モードの低反射をもたらすように、充分に狭幅に設計することができる。本発明の好適な実施形態では、コート３１９は、狭いスペクトル領域で高い反射性をもたらすように設計された、多層誘電体構造から形成される。以下でさらに詳述するように（図８参照）、好適な実施形態では、基本横光学モードの場合、反射性はより高く、かつ損失はより低いが、高次モードの場合、損失はかなり高くなる。したがって、この実施形態はモードの追加的選択を可能にし、単一モードレージングの達成を促進する。
【０１２１】
反射防止コート３２０は、上で詳述したように、追加フィードバックがあった場合にだけ、かつ基本横光学モードに対してのみ、レージングが発生することを確実にする。
【０１２２】
本発明の好適な実施形態では、コート３１９および３２０の阻止帯域は、変換効率ＮＬＯ２１３の周波数変換効率と同じ（または同様の）温度依存性を持つ。コーティング３１９および３２０の各々は、当業界で周知のいずれかの適切な材料、例えばＳｉＯ２、ＭｇＦ２、またはＺｎＳのような、ただしそれらに限定されない、誘電体堆積物から形成された複数の層を含むことが好ましい。
【０１２３】
今、図５を参照すると、それは、フォトニックバンドギャップ結晶レーザの概念を利用した、好適な実施形態の装置１０の略図である。以下でさらに詳述する本発明の現在の好適な実施形態をよりよく識別するために、発光デバイスおよび導波路は、図５ではそれぞれ数字４０１および４４０によって示される。
【０１２４】
したがって、この実施形態では、延長導波路４４０の少なくとも一部分は、フォトニックバンドギャップ結晶（ＰＢＣ）４３０のｎ周期４３１を含む。ＰＢＣ４３０の各周期４３１は、低屈折率の一層および高屈折率一層の、二つのｎドープ層から形成されることが好ましい。
【０１２５】
本発明の好適な実施形態では、発光デバイス４０１は、ＰＢＣ４３０とｐドープ層２０８との間に配置された欠陥４３２を含む。欠陥４３２は、例えばバイアス２１８を使用して注入電流にさらされたときに光を出射するために、ｎ側４３３およびｐ側４３５を有する活性領域４３４を含むことが好ましい。以下でさらに説明するように、光の一次発生のためにＰＢＣ４３０を使用することにより、非常に広幅の導波路を持つ高効率低しきい電流密度源が得られる。
【０１２６】
ＰＢＣレーザの概念は、Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  Ａｅｒｏｓｐａｃｅ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ＩＶ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ＯＦ  ＳＰＩＥ、編集者Ｄｏｎｋｏｒ，Ｅ．ら、４７３２：１５−２６、２００２に発表された、「Ｌｏｎｇ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｌａｓｅｒｓ  Ｕｓｉｎｇ  ＧａＡｓ−Ｂａｓｅｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔｓ」と題する、Ｌｅｄｅｎｔｓｏｖ，Ｎ．Ｎ．およびＳｈｃｈｕｋｉｎ，Ｖ．Ａ．による論文で初めて紹介された。大まかに言うと、ＰＢＣは周期的な屈折率変調を特徴とする多次元構造である。簡単にするために、一方向のみ、例えばＺ方向の、屈折率の周期変調を持つ構造について考慮する。無限の完全に周期的なＰＢＣでは、電磁波またはフォトンはよく定義された波動ベクトル、ｘ方向のｋｘ、およびｙ方向のｋｙによって特徴付けられるので、電界Ｅまたは磁界Ｈの各成分のｘおよびｙ空間座標に対する空間依存性は、平面波として記載される。
2006518548.tif 000003
他方、ｚ座標に対する依存性は、ブロッホ理論に従って、平面波としてではなく、むしろ、屈折率の変調と同じ周期を有する、平面波と周期関数ｕ（ｚ）の積として記述される。したがって、電磁界の全空間依存性は次の通りである。
2006518548.tif 000004
【０１２７】
電磁波またはフォトンエネルギの周波数の特徴的帯域は、周期的電磁波が結晶中を伝播する許容帯域、および電磁波の伝播ができない禁止バンドギャップを含む。
【０１２８】
ＰＢＣの完全な周期性は、層のシーケンスの終了（インサーション）によって、または屈折率の周期的プロファイルを侵害するいずれかの型の欠陥によって、故意に破ることができる。そのような欠陥は、電磁波を局在化または非局在化することができる。局在化欠陥の場合、二種類の電磁波、つまり、（ｉ）欠陥に局在化し、欠陥から離れると減衰する波動、および（ｉｉ）ＰＢＣ全体に広がる波動であり、広がる波動の空間プロファイルが欠陥によって乱れる可能性のある波動、が考えられる。
【０１２９】
より従来型の、層の周期的シーケンスに基づくレーザでは、光は、屈折率変調軸、例えばｚに平行な方向に伝播する一方、波動ベクトルのｘおよびｙ成分は、ｋｘ＝０、およびｋｙ＝０を満たす。この状況はＶＣＳＥＬに典型的である。この型のレーザでは、層の周期的シーケンスは、ある臨界波長で高反射性スペクトル範囲（阻止帯域）をもたらすように設計される。「欠陥」層は、この阻止帯域内に閉込めモードを提供するように設計される。
【０１３０】
Ｌｅｄｅｎｓｔｏｖらによって提案されたＰＢＣレーザの強力な利点は、このレーザでは、特定の波長の反射に関係しないＰＢＣの特性が有利に働くことである。この手法では、ＰＢＣは、屈折率の周期変調がｚ方向に行なわれる一方、光の主伝播はｘ方向に発生するように設計される。周期性は、横基本モードの光がｚ方向で欠陥に局在化し、ｚ方向に欠陥から離れると減衰するように破られる。この場合、反射の阻止帯域の特定のスペクトル位置、または所定の波長に対する外部キャビティの厚さについての一般的要件は存在しない。ＰＢＣの周期性は伝播光の波長に直接関係しないので、装置１０は広範囲の波長、例えば１μｍ、０．９μｍ、および０．８μｍに対して同時に使用することができる。装置１０のこの特性が設計および製造の両方に極めて高い許容差をもたらし、該許容差が直接周波数変換には特に有利であることは、理解されるであろう。
【０１３１】
レーザ放射のモードを局在化する欠陥４３２の能力は、二つのパラメータによって支配される。第一のパラメータは、欠陥４３２およびＰＢＣの基準層の屈折率の差Δｎである。第二のパラメータは欠陥の体積である。屈折率が一方向のみに変調される一次元ＰＢＣの場合、第二のパラメータは欠陥４３２の厚さである。一般的に、一定の欠陥の厚さで、Δｎの値が増加するにつれて、欠陥によって局在化されるモードの数も増加する。一定のΔｎで、欠陥の厚さが増加するにつれて、欠陥によって局在化されるモードの数も増加する。これらの二つのパラメータ、Δｎおよび欠陥の厚さは、一モードのレーザ放射だけが欠陥４３２によって局在化されるように、選択することができる。他のモードはＰＢＣ全体に広がる。
【０１３２】
したがって、本発明の好適な実施形態では、欠陥４３２およびＰＢＣ４３０は、屈折率変調軸に垂直な方向に伝播する基本光学モードが欠陥４３２に局在化し、欠陥４３２から離れると減衰する一方、他の全ての（高次）光学モードは、フォトニックバンドギャップ結晶全体に広がるように選択される。次いで利得領域を、フォトニックバンドギャップ結晶の欠陥に直接、またはそれに近接して配置することができる。
【０１３３】
構造全体の所望の屈折率プロファイルは次のように計算される。モデル構造を導入する。基本ＴＥモードおよび高次ＴＥモードを、波動方程式の固有ベクトル問題の解から得る。基本モードが計算されると、例えばＨ．Ｃ．Ｃａｓｅｙ，ＪｒおよびＭ．Ｂ．Ｐａｎｉｓｈ「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒｓ，Ｐａｒｔ  Ａ」、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、Ｎ．Ｙ．、１９７８、第２章に記載された方法を使用することによって、遠視野パターンが計算される。最適化の結果、最小ビーム発散、活性領域における基本モードの最大振幅、および活性領域におけるより高次のモードの振幅と基本モードのそれとの最小比率の間の好適な相互作用を達成する、所望の構造が得られる。
【０１３４】
前述の通り、活性領域４３４は、レーザ放射の基本モードが局在化される欠陥４３２内に配置することが好ましい。基本モードの必要な局在化の長さは、二つの傾向の相互作用によって決定される。一方で、局在化の長さは、低い遠視野ビーム発散を達成するのに充分な大きさとする必要がある。他方、局在化の長さはＰＢＣの長さより充分に短くしなければならない。これは、ＰＢＣの総厚さの規模で基本モードの効率的な局在化をもたらし、したがって他のモードに比べて、基本モードの電界強度の著しい増強をもたらす。例えば、一実施形態では、ＰＢＣレーザは、４°のビーム発散を達成する一方、閉込め係数は、０．８μｍのＧａＡｓキャビティおよびＧａ１−ｘＡｌｘＡｓクラッド層を有する標準ダブルヘテロ構造レーザのそれの０．１１である。ここでｘ＝０．３である。
【０１３５】
この設計が、延長導波路４４０からの単一横モードのレージングを促進し、結果的に装置１０による光の効率的な周波数変換をもたらすことは、理解されるであろう。
【０１３６】
本発明の好適な実施形態では、コンタクト層２１６および２１７を作成する材料は、拡張高次モードだけが層２１６および２１７によって散乱される一方、欠陥４３２によって充分に局在化される基本モードは、コンタクト領域には到達せず、したがって散乱しないように、選択される。コンタクト層２１６および２１７用の適切な材料として、例えば合金が挙げられる。
【０１３７】
加えて、発光デバイス４０１はさらに、全ての拡張高次モードは吸収されるが、局在化する基本モードは影響されないように、ＰＢＣ４３０の第一層４３１の一つの中に、欠陥４３２から遠くに配置された、一つまたはそれ以上の吸収層４２０を含むことができる。吸収層４２０もまた、ＰＢＣ４３０の異なる層内にそのように配置することができる。
【０１３８】
ＰＢＣは、基板２０２と格子整合またはほぼ格子整合し、出射光を透過する材料から形成されることが好ましい。ＧａＡｓ基板上のデバイスの上記の例では、好適な実施形態は、変調アルミニウム組成ｘを持つ合金Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓである。周期数ｎ、各層の厚さ、および各層の合金組成は、一モードだけのレーザ放射の局在化をもたらすように選択することが好ましい。
【０１３９】
発光デバイス４０１内の層数および活性領域の位置は、装置１０の製造工程および装置が設計された用途に応じて変えることができる。したがって、一実施形態は、図５の実施形態と同様に吸収層が導入されるが、活性領域が欠陥の外側に配置される構造を含む。別の実施形態は、活性領域が欠陥の外側に配置され、かつ漸変屈折率層が低い屈折率を持つ各層と高い屈折率を有する隣接層との間に導入された構造を含む。活性領域が欠陥の外側に配置された追加の実施形態は、活性領域を取り囲むキャリアのための薄いトンネル障壁を含む。活性領域が欠陥の外側に配置され、一部または全ての要素、例えば吸収層、漸変屈折率層、および周囲のキャリア用の薄いトンネル障壁が含まれる、本発明の他の実施形態が可能である。本発明の他の実施形態は、欠陥が活性領域のｎ側またはｐ側のいずれかに配置される構造を含む。
【０１４０】
デバイス４０１の好適な厚さは約１０μｍまたはそれ以上であり、ＰＢＣ４３０の周期４３１の好適な個数は約５ないし約１０またはそれ以上であり、好適なストライプ幅は約７μｍないし約１０μｍであり、デバイス４０１の好適な長さは約１００μｍまたはそれ以上である。
【０１４１】
装置１０の効率は、上述の通り、基板２０２またはコンタクト層２１６および２１７に到達せず、かつ漏洩損失に見舞われない基本モードとは対照的に、全ての拡張高次モードが漏洩し、基板２０２またはコンタクト層２１６および２１７に浸透する、発光デバイス４０１の適切な漏洩設計によってさらに向上することができる。
【０１４２】
今、図６を参照すると、それは、漏洩レーザを使用して一次光を発生する、好適な実施形態の装置１０を示す。
【０１４３】
したがって、この実施形態では、導波路２０４は二つの部分、つまり中間屈折率を有する第一部分５３９と、好ましくは高い屈折率を有する第二部分５４０とを含むことが好ましい。活性領域２０６は、各々中間屈折率を特徴とする層２０５および２０７の間に挟まれる。活性領域２０６で発生する光は、第一部分５３９（中間屈折率を持つ）から第二部分５４０（より高い屈折率を持つ）へと漏洩し、経路５４１に沿ってその中を伝播し、前ファセット２１０から出射し、外部キャビティ５１２内の経路５１１に沿って伝播する。光５１１はキャビティ内を、一般的には前ファセット２１０の法線に対し傾斜した方向に伝播する。特定の角度での伝播は結果的に、単一横漏洩モードの場合にのみ選択的に存在するフィードバックを生じる。単一モード光であり、光５１１がひとたびＮＬＯ結晶２１３に入射すると、効率的な周波数変換が起こり、変換光５１５が発生する。光５１５は、上で詳述したように、光反射体２１４から出射する。
【０１４４】
基本モードが漏洩する第二部分５４０は、基板２０２と格子整合またはほぼ格子整合し、出射光を透過し、ｎドープされ、かつ高い屈折率を有する材料から形成することが好ましい。ドーピング不純物の型およびドーピングレベルは、上で詳述した通り、層２０３の場合と同様であることが好ましい。ＧａＡｓ基板上のデバイス例の場合、好適な材料はＧａ１−ｘＡｌｘＡｓであり、変調アルミニウム組成ｘは屈折率の要件により選択される。
【０１４５】
任意選択的に、かつ好ましくは一次光を発生するための漏洩レーザは、導波路２０４が第一部分５３９のみを含むように（第二部分５４０無しで）製造することができる。この実施形態では、発生した光は基板２０２に直接漏洩する。
【０１４６】
図７に関連して、本発明の好適な実施形態では、装置１０はさらに、弱く発散するビーム６１１を平行ビーム６５１に変換するためのレンズ６５０を備える。この実施形態では、集束光反射体の代わりに平面光反射体６１４が使用される。この実施形態の際立った利点は、要求される平面光反射体の設計が、集束光反射体の設計より一般的により単純であることである。レンズ６５０は、ガラスまたは石英ガラスのような、ただしそれらに限定されない、当業界で周知の適切な材料から作成することができる。
【０１４７】
図８は、幾つかのコートを含む別の好適な実施形態の装置１０を示す。ここで、上で既に説明した通り、発光デバイス２０１は、前ファセット２１０上の反射防止コート３２０、および多層誘電体構造から形成できる、後ファセット２６９上の高反射コート７１９を含むことができる。この実施形態では、追加の高反射コート７１４が光反射体として使用される。代替的に、コート７１４は光反射体２１４または６１４上に形成することができる。コート７１４の層の厚さ、形状、および数は、コート７１４の選択的反射、吸収、および／または透過特性を促進するように設計することが好ましい。特に、コート７１４は、基本横モード（２１１、５１１、または６５１）の高反射および低損失、変換光２１５に対する高透過係数および低損失、ならびに望ましくない高次モードに対する高損失をもたらすことが好ましい。
【０１４８】
本発明の範囲は、上記コートの全ての組合せを含むように意図されていることを理解されたい。例えば、一部の実施形態では、一つまたはそれ以上のコートを単層または多層コートして独立に実現することができる。さらに、他の実施形態では、コート７１４をコート３２０および／またはコート３１９と共に含むことができる。
【０１４９】
コートに多層構造を使用することにより、温度変化の際の狭幅阻止帯域のスペクトル位置が、ＮＬＯ結晶の光学周波数変換が最大効率となるスペクトル位置と同様に偏移するように、構成材料を選択することが可能になる。これは、装置１０の周波数変換効率において極めて高い温度安定性を達成することを可能にする。
【０１５０】
コート７１４および７１９は、固有反射、吸収、および／または透過特性を有することが知られているいずれかの適切な材料、例えばＳｉＯ２、ＭｇＦ２、またはＺｎＳのような材料の交互誘電体堆積物から形成することができるが、それらに限定されない。
【０１５１】
今、図９を参照すると、本発明の別の態様に従って、光の周波数を変換する方法が提供される。該方法は、図９のフローチャートに示された以下の方法ステップを含む。
【０１５２】
ここで、ブロック８０２で示される第一ステップで、第一周波数を有する光が発光デバイスから出射され、それは例えば、上で詳述した発光デバイス２０１または発光デバイス４０１とすることができる。ブロック８０４で示される第二ステップでは、光を外部キャビティ内およびＮＬＯ結晶に複数回通過させるために光反射体が使用される。外部キャビティは例えば外部キャビティ２１２または外部キャビティ５１２として設計することができ、ＮＬＯ結晶は適切な光変換特性を有するいずれかの公知のＮＬＯ結晶、例えば上で詳述したようにコート２６０付きまたは無しのＮＬＯ結晶２１３とすることができる。光を外部キャビティ内に複数回通過させることによって、第一周波数を有するレーザ光を発生するのに充分なフィードバックがもたらされる。ブロック８０６で示される第三ステップで、第一周波数を有するレーザ光は非線形光学結晶内を複数回通過する。非線形光学結晶は、レーザ光の第一周波数を、第一周波数とは異なる第二周波数に変換する。
【０１５３】
本発明の好適な実施形態では、光反射体は、光反射体２１４、６１４、７１４、またはそれらの類似物のいずれか一つとすることができる。加えて、かつ好ましくは、光反射体は、本書で上に詳述した通り、単層コートまたは多層コートによって被覆することができる。該方法は任意選択的に、弱く発散する光ビームをレンズ、例えばレンズ６５０により平行光ビームに変換する、ブロック８０８によって示された追加ステップをさらに含むことができる。
【０１５４】
本発明の追加の態様では、光の周波数変換のための装置を製造する方法を提供する。
【０１５５】
図１０は、該方法の方法ステップのフローチャートであり、ブロック９０２によって示される第一ステップでは、発光デバイス、例えば発光デバイス２０１または発光デバイス４０１が用意される。ブロック９０４によって示される第二ステップでは、光反射体が用意され、発光デバイスに対向して配置され、ブロック９０６によって示される第三ステップでは、ＮＬＯ結晶が用意され、発光デバイスと光反射体との間に画定される外部キャビティ内に配置される。本発明の好適な実施形態では、発光デバイス、光反射体、および非線形光学結晶は、本書で上に詳述した通り、光がＮＬＯ結晶中を複数回通過し、かつ変換された周波数を有するレーザ光を発生するためのフィードバックを達成するように、構成かつ設計される。
【０１５６】
分かりやすくするため別個の実施態様で説明されている本発明のいくつもの特徴は、組み合わせて単一の実施態様にして提供することもできることは分かるであろう。逆に簡略化するため単一の実施態様で説明されている本発明の各種特徴は、別個に又は適切なサブコンビネーションで提供することもできる。
【０１５７】
本発明を、その具体的実施態様とともに説明してきたが、多くの変形と変更が当業技術者には明らかであることは明白である。したがって、本発明は、本願の特許請求の範囲の精神と広い範囲内に入っているこのような変形と変更をすべて含むものである。本明細書に記載のすべての刊行物、特許及び特許願は、あたかも、個々の刊行物、特許又は特許願各々が、本願に具体的にかつ個々に参照して示されているように、本願に援用するものである。さらに、本願における任意の文献の引用もしくは確認は、このような文献が本発明に対する従来技術として利用できるという自白とみなすべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】図１ａは先行技術の垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の略図である。図１ｂは先行技術の端面発光レーザの略図である。
【図２】ＶＣＳＥＬに基く先行技術の周波数変換装置の略図である。
【図３】本発明に係る光の周波数変換の装置の略図である。
【図４】発光デバイスの異なるファセットに形成された反射防止コートおよび高反射コートを含む、本発明に係る周波数変換のための装置の略図である。
【図５】発光デバイスがフォトニックバンドギャップ結晶を含んで成る、本発明に係る周波数変換のための装置の略図である。
【図６】一次光を発生するために漏洩レーザが使用される、本発明に係る周波数変換のための装置の略図である。
【図７】平行ビームを提供するためのレンズおよび平面光反射体を備えた、本発明に係る周波数変換のための装置の略図である。
【図８】発光デバイスおよび光反射体上の追加の複数層コートを含む、本発明に係る周波数変換のための装置の略図である。
【図９】本発明に係る、光の周波数を変換する方法のフローチャートである。
【図１０】本発明に係る、周波数変換のための装置を製造する方法のフローチャートである。
【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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【国際調査報告】
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