(57)【要約】波長可変レーザーアレイと、波長可変共振光検出器アレイに基づく波長分割多重システムが開示される。このシステムは、波長可変光検出器の共振波長を、レーザーにより放射されたレーザー光の波長への自己調整を可能にする。レーザーの高精度な波長の安定性は必要でない。
2006526891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが異なる場所に位置する少なくとも二つの光電子装置アレイと、通信媒体と、を備え、ａ）第１光電子装置アレイは第１場所に位置して複数の波長可変レーザーを備え、ｂ）第２光電子装置アレイは、前記第１場所とは異なる第２場所に位置して複数の波長可変共振光検出器を備える波長分割多重システム。
【請求項２】
前記第１光電子装置アレイは、ｉ）波長可変レーザーと、ii）波長可変共振光検出器と、から構成されるグループから選択された光電子装置を備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項３】
前記第２光電子装置アレイは、ｉ）波長可変レーザーと、ii）波長可変共振光検出器と、から構成されるグループから選択された光電子装置を備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項４】
前記通信媒体は、ａ）光ファイバーと、ｂ）自由空間と、ｃ）半導体チップと、から構成されるグループから選択される請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項５】
前記波長分割多重システムは、ａ）長距離ネットワークと、ｂ）メトロポリタンエリアネットワークと、ｃ）ローカルエリアネットワークと、ｄ）ストレージエリアネットワークと、ｅ）複数のコンピュータ光相互接続と、ｆ）自動車データネットワークと、から構成されるグループから選択された通信ネットワークの一部である請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項６】
前記第１場所に位置する多重化素子を更に備え、前記多重化素子は、前記波長可変レーザーにより放射されたレーザー光を前記通信媒体に向けて出力する請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項７】
前記第２場所に位置する脱多重化素子を更に備え、前記脱多重化素子は、ある波長区間にある波長を有するレーザー光を、対応する波長可変共振光検出器に向けて出力する請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項８】
前記第２場所に位置する脱多重化素子を更に備え、前記脱多重化素子は、ある波長区間にある波長を有するレーザー光を、対応する波長可変共振光検出器に向けて出力する請求項６に記載の波長分割多重システム。
【請求項９】
前記波長可変レーザーの少なくとも一つにより放射されたレーザー光の波長は、ａ）量子閉じ込めシュタルク効果を使用する前記波長可変レーザーに対する電圧と、ｂ）ブリーチング効果を使用する前記波長可変レーザーに対する注入電流と、ｃ）前記波長の微細機構的変調を使用する前記波長可変レーザーに対する外部ミラーの位置と、ｄ）印加された電圧が波長可変レーザーのキャビティの幅を調整する、ピエゾ効果に基づく前記波長可変レーザーに対する電圧と、から構成されるグループから選択された制御パラメータにより制御される請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項１０】
前記波長可変共振光検出器の少なくとも一つの共振波長は、ａ）量子閉じ込めシュタルク効果を使用する前記波長可変共振光検出器に対する電圧と、ｂ）ブリーチング効果を使用する前記波長可変共振光検出器に対する注入電流と、ｃ）前記波長の微細機構的変調を使用する前記波長可変共振光検出器に対する外部ミラーの位置と、ｄ）印加された電圧はキャビティの幅を調整する、ピエゾ効果に基づく前記波長可変共振光検出器に対する電圧と、から構成されるグループから選択された制御パラメータにより制御される請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項１１】
前記第１光電子装置アレイは、少なくとも一つの基準波長可変レーザーと、少なくとも一つのデータ通信波長可変レーザーと、を備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項１２】
前記第２光電子装置アレイは、少なくとも一つの基準波長可変共振光検出器と、少なくとも一つのデータ通信波長可変共振光検出器と、を備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項１３】
前記第２光電子装置アレイは、少なくとも一つの基準波長可変共振光検出器と、少なくとも一つのデータ通信波長可変共振光検出器と、を備える請求項１１に記載の波長分割多重システム。
【請求項１４】
前記基準波長可変レーザーと前記基準波長可変共振光検出器は、基準通信チャネルを形成する請求項１３に記載の波長分割多重システム。
【請求項１５】
複数のデータ通信チャネルが形成され、それぞれは一つのデータ通信波長可変レーザーと一つのデータ通信波長可変共振光検出器とを備える請求項１４に記載の波長分割多重システム。
【請求項１６】
前記データ通信波長可変レーザーと前記データ通信波長可変共振光検出器は、データ通信チャネルを形成する請求項１４に記載の波長分割多重システム。
【請求項１７】
少なくとも一つのデータ通信チャネルにおいて伝送される信号は、ａ）基準部分と、ｂ）データ通信部分と、を備える請求項１６に記載の波長分割多重システム。
【請求項１８】
前記信号の前記基準部分は、前記信号の前記データ通信部分より振幅が大きい請求項１７に記載の波長分割多重システム。
【請求項１９】
前記信号の前記基準部分は、前記信号の前記データ通信部分とパルス持続時間が異なる請求項１７に記載の波長分割多重システム。
【請求項２０】
周波数変調は、少なくとも一つのデータ通信チャネルにおいて波長可変レーザーにより送信された信号を、前記データ通信チャネルにおいて波長可変共振光検出器により検出された信号が振幅変調されるように変調する請求項１６に記載の波長分割多重システム。
【請求項２１】
ａ）前記第１光電子装置アレイは、ｉ）少なくとも一つの波長可変レーザーと、ii）少なくとも一つの波長可変共振光検出器と、を備え、
ｂ）前記第２光電子装置アレイは、ｉ）少なくとも一つの波長可変レーザーと、ii）少なくとも一つの波長可変共振光検出器と、を備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項２２】
ａ）前記第１光電子装置アレイにおける波長可変レーザーと、ｂ）前記第２光電子装置アレイにおける波長可変共振光検出器と、ｃ）前記第２光電子装置アレイにおける波長可変レーザーと、ｄ）前記第２光電子装置アレイにおける波長可変共振光検出器と、を備える少なくとも一つのダイアログデータ通信チャネルを更に備える請求項２１に記載の波長分割多重システム。
【請求項２３】
それぞれのアレイが異なる場所に位置する三つ以上の光電子装置アレイを備え、前記アレイにおける前記光電子装置は、ａ）波長可変レーザーと、ｂ）波長可変共振光検出器と、ｃ）ａ）とｂ）のいかなる組み合わせと、から構成されるグループから選択される請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項２４】
前記光電子装置アレイの数は、３から１００の範囲である請求項２３に記載の波長分割多重システム。
【請求項２５】
前記波長可変共振光検出器の少なくとも一つは、
ａ）基板と、
ｂ）前記基板上方に位置し、ブラッグ反射器領域により形成される底部ミラーと、
ｃ）キャビティであって、
ｉ）Ａ）光が吸収される際に光電流を生成する光吸収層と、Ｂ）前記基板上方であって、前記光吸収層の下に位置する第１ｎドープ電流拡散領域と、Ｃ）前記光吸収層上方に位置する第１ｐドープ電流拡散領域と、Ｄ）各隣接する領域間に設置される電流開口と、Ｅ）前記ｎドープ電流拡散領域と前記ｐドープ電流拡散領域の間において、光が吸収されないときは光電流が流れないようにして位置する光検出素子バイアス制御装置と、を備え、前記底部ミラー上方に位置する光検出素子と、
ii）Ａ）前記第１ｐドープ電流拡散領域上方に位置して、逆バイアスが印加されたときは電界に、または順バイアスが印加されたときは注入電流のいずれかに晒されたときに、位置依存電気光学効果を使用して前記キャビティの共振波長を変調する変調層と、Ｂ）前記変調層上方に位置する第２ｎドープ電流拡散領域と、Ｃ）各隣接する領域間に設置される電流開口と、Ｄ）前記第２ｎドープ電流拡散領域と前記第１ｐドープ電流拡散領域の間において、前記変調層に前記キャビティの前記共振波長を変調させるために電界が形成されるようにして位置する相制御素子バイアス制御装置と、を備え、前記光検出素子上方に位置する相制御素子と、
を備えるキャビティと、
ｄ）前記相制御素子上方に位置し、ブラッグ反射器により形成される上部ミラーと、
を備える波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器を備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項２６】
前記波長可変共振光検出器の少なくとも一つは、
ａ）ｉ）GaAsと、ii）GaAlAs合金と、iii ）GaAsに格子整合または略格子整合する別の半導体材料と、から構成されるグループから選択された材料を備える基板と、
ｂ）前記基板上方に位置し、ブラッグ反射器領域により形成される底部ミラーと、
ｃ）キャビティであって、
ｉ）Ａ）光が吸収される際に光電流を生成する光吸収層と、Ｂ）前記基板上方であって、前記光吸収層の下に位置する第１ｎドープ電流拡散領域と、Ｃ）前記光吸収層上方に位置する第１ｐドープ電流拡散領域と、Ｄ）各隣接する領域間に設置される電流開口と、Ｅ）前記ｎドープ電流拡散領域と前記ｐドープ電流拡散領域の間において、光が吸収されないときは光電流が流れないようにして位置する光検出素子バイアス制御装置とを備え、前記底部ミラー上方に位置する光検出素子と、
ii）Ａ）前記第１ｐドープ電流拡散領域上方に位置して、逆バイアスが印加されたときは電界に、または順バイアスが印加されたときは注入電流のいずれかに晒されたときに、位置依存電気光学効果を使用して前記キャビティの共振波長を変調する変調層と、Ｂ）前記変調層上方に位置する第２ｎドープ電流拡散領域と、Ｃ）各隣接する領域間に設置される電流開口と、Ｄ）前記第２ｎドープ電流拡散領域と前記第１ｐドープ電流拡散領域の間において、前記変調層に前記キャビティの前記共振波長を変調させるために電界が形成されるようにして位置する相制御素子バイアス制御装置と、
を備え、前記光検出素子上方に位置する相制御素子を備えるキャビティと、
ｄ）前記相制御素子上方に位置し、ブラッグ反射器により形成される上部ミラーと、
ｅ）AlOとGaAlOから構成される前記グループから選択された材料を備える、ｎ側上の前記変調層に近接する追加誘電体層と、
を備える波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器を備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項２７】
前記波長可変共振光検出器の少なくとも一つは、
ａ）ｉ）GaAsと、ii）GaAlAs合金と、iii ）GaAsに格子整合または略格子整合する別の半導体材料から構成されるグループから選択された材料と、を備える基板と、
ｂ）前記基板上方に位置し、ブラッグ反射器領域により形成される底部ミラーと、
ｃ）キャビティであって、
ｉ）Ａ）光が吸収される際に光電流を生成する光吸収層と、Ｂ）前記基板上方であって、前記光吸収層の下に位置する第１ｎドープ電流拡散領域と、Ｃ）前記光吸収層上方に位置する第1pドープ電流拡散領域と、Ｄ）各隣接する領域間に設置される電流開口と、Ｅ）前記ｎドープ電流拡散領域と前記ｐドープ電流拡散領域の間において、光が吸収されないときは光電流が流れないようにして位置する光検出素子バイアス制御装置と、を備え、前記底部ミラー上方に位置する光検出素子と、
ii）Ａ）前記第１ｐドープ電流拡散領域上方に位置して、逆バイアスが印加されたときは電界に、または順バイアスが印加されたときは注入電流のいずれかに晒されたときに、位置依存電気光学効果を使用して前記キャビティの共振波長を変調する変調層と、Ｂ）前記変調層上方に位置する第2nドープ電流拡散領域と、Ｃ）各隣接する領域間に設置される電流開口と、Ｄ）前記第２ｎドープ電流拡散領域と前記第１ｐドープ電流拡散領域の間において、前記変調層に前記キャビティの前記共振波長を変調させるために電界が形成されるようにして位置する相制御素子バイアス制御装置と、を備え、前記光検出素子上方に位置する相制御素子を備えるキャビティと、
ｄ）前記相制御素子上方に位置し、ブラッグ反射器により形成される上部ミラーと、
ｅ）AlOとGaAlOから構成される前記グループから選択された材料を備える、ｐ側上の前記変調層に近接する追加誘電体層と、
を備える波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器を備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項２８】
前記波長可変共振光検出器の少なくとも一つは、
ａ）ｉ）GaAsと、ii）GaAlAs合金と、iii ）GaAsに格子整合または略格子整合する別の半導体材料から構成されるグループから選択された材料を備える基板と、
ｂ）前記基板上方に位置し、ブラッグ反射器領域により形成される底部ミラーと、
ｃ）キャビティであって、
ｉ）Ａ）光が吸収される際に光電流を生成する光吸収層と、Ｂ）前記基板上方であって、前記光吸収層の下に位置する第1nドープ電流拡散領域と、Ｃ）前記光吸収層上方に位置する第１ｐドープ電流拡散領域と、Ｄ）各隣接する領域間に設置される電流開口と、Ｅ）前記ｎドープ電流拡散領域と前記ｐドープ電流拡散領域の間において、光が吸収されないときは光電流が流れないようにして位置する光検出素子バイアス制御装置と、を備え、前記底部ミラー上方に位置する光検出素子と、
ii）Ａ）前記第１ｐドープ電流拡散領域上方に位置して、逆バイアスが印加されたときは電界に、または順バイアスが印加されたときは注入電流のいずれかに晒されたときに、位置依存電気光学効果を使用して前記キャビティの共振波長を変調する変調層と、Ｂ）前記変調層上方に位置する第２ｎドープ電流拡散領域と、Ｃ）各隣接する領域間に設置される電流開口と、Ｄ）前記第２ｎドープ電流拡散領域と前記第１ｐドープ電流拡散領域の間において、前記変調層に前記キャビティの前記共振波長を変調させるために電界が形成されるようにして位置する相制御素子バイアス制御装置と、
を備え、前記光検出素子上方に位置する相制御素子を備えるキャビティと、
ｄ）前記相制御素子上方に位置し、ブラッグ反射器により形成される上部ミラーと、
ｅ）それぞれが、AlOとGaAlOから構成される前記グループから選択された材料を備える、前記変調層を挟む二つの追加誘電体層と、
を備える波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器を備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項２９】
前記波長可変レーザーの少なくとも一つは、
ａ）基板と、
ｂ）前記基板上に位置し、ブラッグ反射器領域により形成される底部ミラーと、
ｃ）ｉ）前記底部ミラー上方に位置する能動素子と、ii）前記能動素子上方に位置する相制御素子とを備えるキャビティと、
ｄ）前記相制御素子上方に位置し、ブラッグ反射器により形成される上部ミラーと、
を備える波長可変半導体垂直キャビティ表面発光レーザーを備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項３０】
前記波長可変半導体垂直キャビティ表面発光レーザーの前記能動素子は、ａ）順バイアスが印加されたときに注入電流に晒されると、光を放射する光生成層と、ｂ）前記基板上方であって、前記光生成層の下に位置する第１ｎドープ電流拡散領域と、ｃ）前記光生成層上方に位置する第1pドープ電流拡散領域と、ｄ）各隣接する領域間に設置される電流開口と、ｅ）前記ｎドープ電流拡散領域と前記ｐドープ電流拡散領域の間において、電流を前記光生成層に注入して光を生成できるようにして位置する能動素子バイアス制御装置と、を備える請求項２９に記載の波長分割多重システム。
【請求項３１】
前記波長可変半導体垂直キャビティ表面発光レーザーの前記相制御素子は、ａ）前記第１ｐドープ電流拡散領域上方に位置して、逆バイアスが印加されたときは電界に、または順バイアスが印加されたときは注入電流のいずれかに晒されたときに、位置依存電気光学効果を使用して光の波長を変調する変調層と、ｂ）前記変調層上方に位置する第２ｎドープ電流拡散領域と、ｃ）各隣接する領域間に設置される電流開口と、ｄ）前記第２ｎドープ電流拡散領域と前記第１ｐドープ電流拡散領域の間において、電界が形成され、前記変調層に光の前記波長を変調させるようにして位置する相制御素子バイアス制御装置と、を備える請求項３０に記載の波長分割多重システム。
【請求項３２】
前記波長可変半導体垂直キャビティレーザーの前記基板は、ａ）GaAsと、ｂ）GaAlAs合金と、ｃ）GaAsに格子整合または略格子整合する別の半導体材料と、から構成されるグループから選択された材料を備える請求項２９に記載の波長分割多重システム。
【請求項３３】
前記波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーは、前記変調層に近接する追加誘電体層を更に備え、前記追加誘電体層は、ａ）AlOと、ｂ）GaAlOと、で構成されるグループから選択された材料を備える請求項３２に記載の波長分割多重システム。
【請求項３４】
前記追加誘電体層は、ｎ側上の前記波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーの前記変調層に近接する請求項３３に記載の波長分割多重システム。
【請求項３５】
前記追加誘電体層は、ｐ側上の前記波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーの前記変調層に近接する請求項３３に記載の波長分割多重システム。
【請求項３６】
前記波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーの前記変調層は、二つの追加誘電体層の間に挟まれ、前記追加誘電体層のそれぞれは、ａ）AlOと、ｂ）GaAlOと、で構成されるグループから選択された材料を備える請求項３２に記載の波長分割多重システム。
【請求項３７】
前記波長可変レーザーの少なくとも一つは、放射レーザー光の波長を変調するために、場所依存電気光学効果を使用する変調素子を備える半導体波長可変傾斜キャビティレーザーを備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項３８】
前記半導体波長可変傾斜キャビティレーザーは、ａ）GaAsと、ｂ）GaAlAs合金と、ｃ）GaAsに格子整合または略格子整合する別の半導体材料と、から構成されるグループから選択された基板を更に備える請求項３７に記載の波長分割多重システム。
【請求項３９】
前記波長可変傾斜キャビティレーザーは、前記変調素子に近接する追加誘電体層を更に備え、前記追加誘電体層は、ａ）AlOと、ｂ）GaAlOと、から構成されるグループから選択された材料を備える請求項３８に記載の波長分割多重システム。
【請求項４０】
前記追加誘電体層は、ｎ側上の前記変調素子に近接する請求項３９に記載の波長分割多重システム。
【請求項４１】
前記追加誘電体層は、ｐ側上の前記変調素子に近接する請求項３９に記載の波長分割多重システム。
【請求項４２】
前記波長可変傾斜キャビティレーザーは、前記変調素子を挟む二つの追加誘電体層を更に備え、前記追加誘電体層のそれぞれは、ａ）AlOと、ｂ）GaAlOと、から構成されるグループから選択された材料を備える請求項３８に記載の波長分割多重システム。
【請求項４３】
前記波長可変共振光検出器の少なくとも一つは、前記傾斜キャビティ共振光検出器の共振波長を変調するために、場所依存電気光学効果を使用する変調素子を備える半導体波長可変傾斜キャビティ共振光検出器である請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項４４】
前記波長可変半導体傾斜キャビティ共振光検出器は、ａ）GaAsと、ｂ）GaAlAs合金と、ｃ）GaAsに格子整合または略格子整合する別の半導体材料と、から構成されるグループから選択された基板を更に備える請求項４３に記載の波長分割多重システム。
【請求項４５】
前記半導体波長可変傾斜キャビティ共振光検出器は、前記変調素子に近接する追加誘電体層を更に備え、前記追加誘電体層は、ａ）AlOと、ｂ）GaAlOと、から構成されるグループから選択された材料を備える請求項４４に記載の波長分割多重システム。
【請求項４６】
前記追加誘電体層は、ｎ側上の前記変調素子に近接する請求項４５に記載の波長分割多重システム。
【請求項４７】
前記追加誘電体層は、ｐ側上の前記変調素子に近接する請求項４５に記載の波長分割多重システム。
【請求項４８】
前記半導体波長可変傾斜キャビティ共振光検出器は、前記変調素子を挟む二つの追加誘電体層を更に備え、前記追加誘電体層のそれぞれは、ａ）AlOと、ｂ）GaAlOと、から構成されるグループから選択された材料を備える請求項４４に記載の波長分割多重システム。
【請求項４９】
前記波長可変レーザーの少なくとも一つは、場所依存電気光学効果を使用する変調素子を備える波長可変エッジ発光レーザーを備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項５０】
前記波長可変エッジ発光レーザーは、単一縦モードを選択するために、分散型フィードバックを使用する部分を更に備える請求項４９に記載の波長分割多重システム。
【請求項５１】
前記波長可変共振光検出器の少なくとも一つは、エッジ形状において作動する光検出器と、場所依存電気光学効果を使用する変調素子を備える請求項１に記載の波長分割多重システム。
【請求項５２】
前記波長可変共振光検出器は、前記光検出器の共振波長を選択するために、分散型フィードバックを使用する部分を備える請求項５１に記載の波長分割多重システム。
【請求項５３】
ａ）基板と、
ｂ）前記基板上方に位置し、ブラッグ反射器領域により形成される底部ミラーと、
ｃ）ｉ）前記底部ミラー上方に位置する光検出素子と、ii）前記光検出素子上方に位置する相制御素子と、を備えるキャビティと、
ｄ）前記相制御素子の上方に位置し、ブラッグ反射器により形成される上部ミラーと、を備える波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器。
【請求項５４】
前記光検出素子は、ａ）光が吸収される際に光電流を生成する光吸収層と、ｂ）前記基板上方であって、前記光吸収層の下に位置する第１ｎドープ電流拡散領域と、ｃ）前記光吸収層上方に位置する第１ｐドープ電流拡散領域と、ｄ）各隣接する領域間に設置される電流開口と、ｅ）前記ｎドープ電流拡散領域と前記ｐドープ電流拡散領域の間において、光が吸収されないときは光電流が流れないようにして位置する光検出素子バイアス制御装置と、を備える請求項５３に記載の波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器。
【請求項５５】
前記相制御素子は、ａ）前記第１ｐドープ電流拡散領域上方に位置して、逆バイアスが印加されたときは電界に、または順バイアスが印加されたときは注入電流のいずれかに晒されたときに、位置依存電気光学効果を使用して前記キャビティの共振波長を変調する変調層と、ｂ）前記変調層上方に位置する第２ｎドープ電流拡散領域と、ｃ）各隣接する領域間に設置される電流開口と、ｄ）前記第２ｎドープ電流拡散領域と前記第１ｐドープ電流拡散領域の間において、前記変調層に前記キャビティの前記共振波長を変調させるために電界が形成されるようにして位置する相制御素子バイアス制御装置と、を備える請求項５４に記載の波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器。
【請求項５６】
前記基板は、ａ）GaAsと、ｂ）GaAlAs合金と、ｃ）GaAsに格子整合または略格子整合する別の半導体材料と、から構成されるグループから選択された材料を備える請求項５５に記載の波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器。
【請求項５７】
前記変調素子に近接し、ａ）AlOと、ｂ）GaAlOと、から構成されるグループから選択された材料を備える追加誘電体層を更に備える請求項５６に記載の波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器。
【請求項５８】
前記追加誘電体層は、n側上の前記変調素子に近接する請求項５７に記載の波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器。
【請求項５９】
前記追加誘電体層は、p側上の前記変調素子に近接する請求項５７に記載の波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器。
【請求項６０】
前記変調素子は、二つの追加誘電体層に挟まれ、前記追加誘電体層のそれぞれは、ａ）AlOと、ｂ）GaAlOと、から構成されるグループから選択された材料を備える請求項５６に記載の波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器。
【請求項６１】
それぞれが異なる場所に位置する少なくとも二つの光電子装置アレイと通信媒体を備え、第１光電子装置アレイは第１場所に位置して少なくとも一つの基準波長可変レーザーと、少なくとも一つのデータ通信波長可変レーザーを備え、第２光電子装置アレイは前記第１場所とは異なる第2場所に位置して、少なくとも一つの基準波長可変共振光検出器と、少なくとも一つのデータ通信波長可変共振光検出器を備える波長分割多重システムを自己調整する方法であって、ａ）複数の初期設定を設定し、ｂ）前記設定を現場調整するステップを備える方法。
【請求項６２】
ステップａ）は、ｉ）前記基準波長可変レーザーにより放射された光の波長を、前記放射レーザー光の前記波長を制御する制御パラメータの関数として較正し、ii）前記基準波長可変共振光検出器の共振波長を、共振光検出器の前記共振波長を制御する制御パラメータの関数として較正し、iii ）前記基準波長可変レーザーの前記放射レーザー光の前記波長を、所定の値に設定し、iv）前記基準波長可変共振光検出器の前記共振波長を、前記基準波長可変レーザーにより放射された前記設定波長と等しく設定する、サブステップを備える請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
ステップａ）は、ｖ）前記データ通信波長可変レーザーにより放射された光の波長を、前記放射レーザー光の前記波長を制御する制御パラメータの関数として較正し、vi）前記データ通信波長可変共振光検出器の共振波長を、共振光検出器の前記共振波長を制御する制御パラメータの関数として較正し、vii ）前記データ通信波長可変レーザーの前記放射レーザー光の前記波長を、所定の値に設定し、viii）前記データ通信波長可変共振光検出器の前記共振波長を、前記データ通信波長可変レーザーにより放射された前記設定波長と等しく設定する、サブステップを備える請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
サブステップｖ）からviii）は、前記第１光電子装置アレイの全てのデータ通信波長可変レーザーに対して実行される請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
ステップａ）は、ix）前記第１光電子装置アレイを、前記第１場所に設置し、ｘ）前記第２光電子装置アレイを前記第２場所に設置する、サブステップを更に備える請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
ステップｂ）は、ｉ）検出信号が最大値に到達するまで、前記基準波長可変共振光検出器の共振波長を走査し、ii）前記基準波長可変共振光検出器により検出された前記信号が最大値を有するように、前記基準波長可変共振光検出器の共振波長をシフトする、サブステップを備える請求項６１に記載の方法。
【請求項６７】
ステップｂ）は、iii ）前記基準波長可変共振光検出器がシフトされたのと同じ値だけ、前記データ通信波長可変共振光検出器の共振波長をシフトするサブステップを更に備える請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
サブステップiii ）は、前記第２光電子装置アレイの全てのデータ通信波長可変共振光検出器に対して実行される請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
それぞれが異なる場所に位置する少なくとも二つの光電子装置アレイと、通信媒体を備える波長分割多重システムの現場調整の方法であって、第１光電子装置アレイは第１場所に位置して、複数のデータ通信波長可変レーザーを備え、第２光電子装置アレイは、前記第１場所とは異なる第２場所に位置して、複数のデータ通信波長可変共振光検出器を備え、前記データ通信波長可変レーザーと前記データ通信波長可変共振光検出器は、少なくとも一つのデータ通信チャネルを形成し、少なくとも一つのデータ通信チャネルにおいて伝送された信号は、基準部分とデータ通信部分を備え、前記方法は、ａ）前記信号の基準部分に対応する、前記波長可変共振光検出器により検出された前記信号が最大値に到達するまで、前記データ通信チャネルにおいて動作する波長可変共振光検出器の共振波長を走査し、ｂ）前記波長可変共振光検出器の共振波長を固定し、ｃ）固定共振波長におけるデータ通信信号を検出する、ステップを備える方法。
【請求項７０】
それぞれが異なる場所に位置する少なくとも二つの光電子装置アレイと、通信媒体を備える前記波長分割多重システムの現場調整の方法であって、第１光電子装置アレイは第１場所に位置して、少なくとも一つの波長可変レーザーと、少なくとも一つの波長可変共振光検出器を備え、前記第２光電子装置アレイは、少なくとも一つの波長可変レーザーと、少なくとも一つの波長可変共振光検出器と、少なくとも一つのダイアログデータ通信チャネルを備え、前記ダイアログデータ通信チャネルは、前記第１光電子装置アレイにおける波長可変レーザーと、前記第１光電子装置アレイにおける波長可変共振光検出器と、前記第２光電子装置アレイにおける波長可変レーザーと、前記第２光電子装置アレイにおける波長可変共振光検出器を備え、前記方法は、ａ）前記第１光電子装置アレイの前記波長可変レーザーから、前記ダイアログデータ通信チャネルにおける第１信号を送信し、ｂ）前記第２光電子装置アレイの前記波長可変共振光検出器による前記第１信号の強度を検出し、ｃ）前記第２光電子装置アレイの前記波長可変レーザーから、前記ダイアログデータ通信チャネルにおける第２信号を、前記第２信号が、前記第２信号の強度についての情報を伝送するように送信し、ｄ）前記第１光電子装置アレイの前記波長可変共振光検出器により第２信号を、前記第１信号の前記強度についての前記情報が検出されるように検出し、ｅ）前記第1信号の前記強度が最大値に到達するまで、前記第１光電子装置アレイの前記波長可変レーザーの前記波長を調整する、ステップを備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の参照
この出願は、２００１年５月２９日付けで出願された「波長可変垂直キャビティ表面発光レーザー及びその製造方法（WAVELENGTH TUNABLE VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER AND METHOD OF MAKING SAME）」と題する係属中の米国特許出願番号第09/867,167の一部継続出願である。上記出願は、ここで参照されるものとする。
発明の背景
技術分野
本発明は、半導体装置の分野、及びデータ通信システム及びデータ通信ネットワークの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
情報の着実に増加しつつある流れにより、データ伝送の既存の技術に対する改良と、新しい装置とシステムの開発が要求されている。単一モードの光ファイバーを介しての１０Ｇｂ／ｓでの信号の伝送は既に過去の技術となった。単一モードのファイバーを介して１００ｋｍの距離を４０Ｇｂ／ｓで伝送することは、容易に利用できるようになりつつある進歩した技術である。４０Ｇｂ／ｓでは、５０万もの電話による通話が同時に送信できる。４０Ｇｂ／ｓを超える伝送は、次の課題である。
【０００３】
レーザー及び光電子装置技術における進歩により、同じファイバーにおいて二つ以上の波長を送信することが可能になった。この実践は、波長分割多重化（ＷＤＭ）として知られている。同じファイバーに波長を追加することによりファイバーの帯域幅の容量を効果的に増大し、このことにより、追加的ファイバーを設置し、またはデータビットレートを極端に高いレベルまで増大するという当面の必要性がなくなる。単一モードファイバーの全低損失波長範囲（１．２〜１．６μｍ）において、５０ＧＨｚで分離された約１０００の波長チャネルが使用できる。１波長当り４０Ｇｂ／ｓでは、１ファイバー当り合計で４０Ｔｂ／ｓの集合帯域幅が達成できる（S.V.Kartalopoulos；「DWDM技術の導入。広範囲におけるデータ（Introduction to DWDM. Data in a Rainbow）, Wiley-Interscience, New York (2000))。
【０００４】
一般的に、長距離及びメトロポリタンエリアへの適用に使用されるＷＤＭシステム、または高密度波長分割多重化（ＤＷＤＭ）は、高価な単一横及び縦モードの遠隔送信機に基づいている。波長可変レーザーは有望な優位点を有する。ＤＷＤＭの適用に対して、可変レーザーは、異なるチャネル間で切り替わるレーザーを提供できるために有利であり、このことにより高価な装置の数を削減し、ＤＷＤＭプロトコルを簡素化する（S.V.Kartalopoulos；「DWDM技術の導入。広範囲におけるデータ（Introduction to DWDM. Data in a Rainbow）, Wiley-Interscience, New York (2000))。１．５５μｍまたは約１．５５μｍで作動する可変レーザーが現在使用されており、将来は、１．２〜１．７μｍの全ての範囲がカバーされ、十分な帯域幅を提供するようになると思われる。
【０００５】
伝統的な波長可変レーザーは非常に高価である。また、高精度の波長安定化を必要とし、それは通常、高度な温度制御及びフィードバック検出システムを使用して各装置に対しての波長固定を提供することにより達成される。可変レーザーアレイ及び、特に、垂直キャビティ表面放射レーザー（ＶＣＳＥＬ）を使用すれば、アレイにおける単一レーザーチャネルに対する製造コストは、個々のレーザーのコストより遥かに少ないので、ＤＷＤＭシステムのコストを削減できる。実装、光学的整列、焦点合わせ、温度、及び安定化に対するコストは、装置の主要な製造コストを形成するが、１回分のコストだけで済み、アレイの装置の数に比例しない。このようにして、飛躍的なコスト削減が可能になる。しかし、ＤＷＤＭの適用は、異なった、かつ明確に定義された波長を有する装置を必要とし、それは通常は、従来の単一チップＶＣＳＥＬでは可能でない。単一モードファイバーの全低損失範囲（１．２〜１．６μｍ）に対して、５０ＧＨｚで分離された約１０００の波長チャネルが使用できる。１単一波長チャネル当り４０Ｇｂ／ｓでは、１ファイバー当り合計で４０Ｔｂ／ｓの集合帯域幅が達成できる。例えば、ＤＷＤＭ基準（ＩＴＵ−Ｔ勧告Ｇ．６９２）は、１００ＭＨｚ間隔で、１５３０から１５６５ｎｍの４３波長チャネルを規定し、各チャネルは、１０Ｇｂ／ｓでＯＣ−１９２信号を搬送する（S.V.Kartalopoulos；「DWDM技術の導入。広範囲におけるデータ（Introduction to DWDM. Data in a Rainbow）, Wiley-Interscience, New York (2000))。このように、１００ＧＨｚに対しては、一般的にチャネル間に０．８ｎｍの間隔が必要となる。
【０００６】
現在、波長調整可能なインテリジェントＷＤＭ及びＤＷＤＭシステムは存在しない。標準ＤＷＤＭアプローチは高精度に固定された波長を必要とする。波長可変レーザーを使用できる唯一の可能性は、固定波長レーザーの棚卸し資産を削減することである。システムそれ自身は常に同じであった。異なる光源からの多くの異なる固定波長光ビームが単一ファイバーに結合され（多重化）、ファイバーの出口で異なるチャネルに分離され（脱多重化）、各チャンネルは別々の光検出器で作動する。全ての現存する波長多重化及び脱多重化アプローチは、各ＤＷＤＭチャネルの高精度に固定された波長に基づいている。このため、ＤＷＤＭシステムが非常に高価なものとなる。
【０００７】
現存する波長可変レーザーは、エッジ発光レーザーまたはＶＣＳＥＬである。エッジ発光装置は、単一縦モード動作を保証するための分散型フィードバックレーザーとして従来は製造されてきた。屈折率を調整することによる波長調整は、これらの装置に適用可能である。この調整は、例えば、ヒートシンク温度の変化により達成できる。屈折率の変調は、空間的に導入された分散型フィードバック（ＤＦＢ）部における非平衡搬送波の変化する濃度による電子ホールプラズマ効果により引き起こすことができる。ＤＦＢ機構は、例えば、エピウェーハーの表面上の格子をエッチングし、それに続く過成長により設けることができる。格子と同じ周期分だけ、屈折率の変化は、ＤＦＢモードの波長シフトを引き起こす。実際の装置においては、通常は、同一面内導波管構造の異なる部分が使用される。
【０００８】
エッジ発光と表面発光レーザーの両方における波長可変性を達成する別の方法は、外部ミラーまたは回折格子を使用することである。ここにおいて、調整は装置の有効キャビティ長の機構的調整、またはピーク反射率の波長に影響する回折格子ミラーの角度調整により実現される。ＶＣＳＥＬにおいては、キャビティ長の調整は、異なる微細電子機構システムを使用することにより実現できる。
【０００９】
従来の可変レーザーの両タイプの不利な点は調整時間が長いことである。一つのタイプの場合、レートはヒートシンク温度、または電子ホールプラズマ濃度の調整時間により制限される。もう一方のタイプの場合、遅いレートは使用される外部ミラー調整機構の機構的性質に関連している。周波数変調信号送信システムは、一般的にこれらのアプローチを使用できない。
【００１０】
機構的可変レーザーは、材料の老朽化、湿度、及び格子または懸垂式可変ミラーにおける埃の吸収により引き起こされる種々のデチューニング機構の影響も受ける。振動はエラーを引き起こす。波長安定性（波長固定）を維持する技術が、レーザーアレイが使用される場合においてもそれぞれの装置一つ一つに必要である。波長固定機構をアレイのそれぞれの装置に適用するとなると、コスト効率のよいシステムを作ることは更に難しくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この技術においては、改良された波長可変レーザー及び光検出器と、新しい波長分割多重システムへのそれらの適用に対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明の概要
波長分割多重システムは、波長可変レーザーアレイ及び波長可変共振光検出器アレイに基づいている。このシステムは、波長可変光検出器の共振波長の、レーザーにより放射されたレーザー光の波長への自己調整を可能にする。レーザーの高精度波長安定化は必要とされない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
発明の詳細な説明
波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーは、米国特許出願第09/867,167号に開示されており、ここで参照される。装置は、キャビティ場所依存電気光学効果に基づいている。垂直キャビティは、順バイアスが印加されると光を生成する能動素子と、相制御素子を備える。相制御素子は、レーザー生成の波長から、短波長側上で強い狭光吸収ピークを示す変調器を備える。波長制御は場所依存電気光学効果を使用して実現される。逆バイアスが印加されると、吸収の最大値はシュタルク効果により、長波長側にシフトされる。順バイアスが印加されると、電流が注入され、ピーク吸収のブリーチング(bleaching)及び減少という結果になる。両者の場合において、相制御素子において屈折率の強い変調が起きる。この効果によりキャビティモードの波長が調整され、波長シフトの符号と値が変調器の場所により規定される。
【００１４】
可変垂直キャビティ表面発光レーザーは、二つの主要素子、つまり１）能動素子と、２）能動素子上方の相制御素子を備える。これらの主要素子は二つのミラーに挟まれている。能動素子と変調器は、ｎ及びｐ接触層に取り囲まれたドープされていない、または弱ドープ層に取り囲まれている。電界または注入電流のいずれかが、レーザーの制御及び調整に使用される。
【００１５】
相制御素子は、順にｎ及びｐ接触層で取り囲まれる、ドープされていない、または弱ドープ層により両側が取り囲まれた変調器である。電界は、変調器の屈折率の調整に使用される。
【００１６】
好適な実施形態において、活性領域と、異なる媒体に設置された相制御領域を有する可変レーザーが提供される。可変レーザーは、電界を印加して共振吸収光スペクトルを調整することによる屈折率制御の効果を使用する。または、可変レーザーは、電流注入による屈折率の変調の効果を使用することができる。
【００１７】
放射された光の波長及び出力電力は独立して調整できる。波長調整のレートは、相制御層における電界の分散速度により規定され、ピコ秒の範囲にある。本発明は最大約５０ＧＨｚまでの周波数で作動する波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーの実現可能性を提供する。出力電力は、光の周波数において選択できる弱い吸収を使用して等化され、それは変調器による光の周波数依存吸収を補償する。
【００１８】
一つの実施形態において、波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーは、出力電力を測定するための光検出器として使用され、それにより全ての操作に対するレーザーの較正を行う素子を含む。
【００１９】
図１３を参照すると、新しい可変垂直キャビティ表面発光レーザーが示されている。この構造は、基板(1301)上でエピタキシャルに成長させられる。ブラッグ反射器は底部ミラー(1302)に対して使用される。ＶＣＳＥＬの残りは二つの主要な素子、つまり１）底部ミラー(1302)上方の能動素子と、２）能動素子上方の相制御素子を備える。
【００２０】
能動素子を形成するために、電流開口(1303)は、第１金属接点(1305)を使用して、能動素子(1307)を取り囲む弱ドープ層(1306)からｎドープ電流拡散領域(1304)を分離する。第２電流開口(1303)は第２金属接点(1309)を使用して、ｐドープ電流拡散領域(1308)から弱ドープ層(1306)を分離する。ｎドープ電流拡散領域(1304)は、底部ミラー(1302)上に直接位置する。
【００２１】
相制御素子を形成するために、変調器(1311)を取り囲む二つの弱ドープ層(1310)は、第３電流開口(1303)により、ｐドープ電流拡散領域(1308)から分離される。第４電流開口は、第３金属接点(1313)を使用して、第２ｎドープ電流拡散領域(1312)から弱ドープ層(1310)を分離する。分散型ブラッグ反射器もまた、相制御素子の上部に位置する上部ミラー(1314)に対して使用される。
【００２２】
能動素子は、ＶＣＳＥＬに対して一般的なように、順バイアス(1315)のもとで作動する。ＶＣＳＥＬの新しい構成要素は、図１３に示され、逆バイアス(1316)のもとで作動する追加相制御素子である。光は上部ミラー(1314)を通して出射する(1317)。
【００２３】
基板(1301)は、いかなるIII -Ｖ族半導体材料または、例えば、GaAs、InP、GaSbまたはその他のIII -Ｖ族半導体合金から形成できる。本発明で使用される良好な実施形態はGaAsである。
【００２４】
ｎドープ層(1304)と(1312)は、基板に格子整合または略格子整合する材料から形成され、生成された光に対して透明であり、ドナー不純物によりドープされなければならない。良好な実施形態は、基板と同じ、例えば、GaAsと同じ材料である。可能なドナー不純物には、それに制限されるわけではないが、S、Se、Te及びSi、Ge、Snのような両性不純物があり、後者は、それが主に陽イオン副格子に組み込まれ、ドナー不純物として働くという技術的な条件において導入される。
【００２５】
ｐドープ層(1308)は、基板に格子整合または略格子整合する材料から形成され、生成された光に対して透明であり、アクセプタ不純物によりドープされなければならない。良好な実施形態は、基板と同じ、例えばGaAsと同じ材料である。可能なアクセプタ不純物には、それに制限されるわけではないが、Be、Mg、Zn、Cd、Pb、Mn及びSi、Ge、Snのような両性不純物があり、後者は、それが主に陰イオン副格子に組み込まれ、アクセプタ不純物として働くという技術的な条件において導入される。
【００２６】
金属接点(1305)、(1309)、(1313)は多層金属構造から形成できる。ｎドープ層への接点、つまり、接点(1305)と(1313)は、それに制限されるわけではないが、構造Ni-Au-Geから形成できる。ｐドープ層への接点、つまり、接点(1309)は、それに制限されるわけではないが、構造Ti-Pt-Auから形成できる。
【００２７】
能動素子(1307)は、いかなる挿入物からも形成でき、そのエネルギーバンドギャップは基板よりも狭い。可能な実施形態としては、それに制限されるわけではないが、量子井戸、量子配線、量子点、またはその組み合わせの単一層または多層システムがある。GaAs基板上の装置の場合、能動素子に対する良好な実施形態としては、それに制限されるわけではないが、InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs,InxGa1-xAs1-yNyまたは類似の挿入物のシステムがある。
【００２８】
変調器(1311)はいかなる挿入物によっても形成でき、そのエネルギーバンドギャップは基板より狭い。能動素子に関しての可能な材料及び構造は同じだが、特別な設計は、変調器(1311)が、レーザー放射の波長から、高エネルギー側上（短波長側上）で強い吸収ピークを示すようでなければならない。
【００２９】
各層は、電流阻止層として作用し、それに制限されるわけではないが、Al(Ga)O層または陽子衝撃層から形成できる電流開口(1303)により、隣接層から分離される。
【００３０】
例えば、Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers:Design,Fabrication,Characterization,and Applications by C.W.Wilmsen,H.Temkin,LA.Coldren(editors),Cambridge University Press,1999に記載されているように、底部ミラー(1302)と上部ミラー(1314)に対して、異なる設計を使用することができる。良好な実施形態は、多層誘電体ミラーGaAs/AlGaOである。
【００３１】
それに代わるものとして、接触点の異なるシーケンスを使用することができる。相制御素子は、ｎ接触層と、内部に変調器(1311)が挿入されているドープされていない、または弱ドープ層と、ｐ接触層を備えることができる。そして、能動素子のｐ接触層と相制御素子のｎ接触層は、p+n+江崎トンネル接合により分離できる。
【００３２】
図１３のレーザーは下記のように作動する。逆バイアス(1316)により形成された電界は主にドープされていない、または弱ドープ領域(1310)に印加される。変調器(1311)は強電気光学効果を有するように選択される。バイアス(1316)により制御される外部電界のもとで、変調器(1311)の屈折率は調整される。光スペクトルのゲイン領域からの発光波長の選択は、振動条件により決定される(H.C.Casey,Jr.,and M.B.Panish,Heterostructure Lasers,Part A,Academic Press,N.Y.1978)。放射された電磁波の光経路は層(1304)、開口、活性領域(1307)を含む層(1306)、開口、層(1308)、開口、変調器(1311)を含む層(1310)、開口、層(1312)を含み、全ての経路は底部及び上部ミラーの両者からの反射も含み２倍になる。変調器(1311)における屈折率の変動は、第１に、変調器(1311)を介する光の光経路に影響を与え、第２に、媒体(1310)から変調器(1311)への、及び変調器(1311)から媒体(1310)への光の透過率に影響を与える。
【００３３】
本発明は、米国特許出願第09/867,167号に開示された波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーを更に拡張する。本発明において、キャビティ場所依存電気光学効果に基づく波長可変共振光検出器が開示される。更に、波長可変レーザーアレイと波長可変共振光検出器アレイに基づく波長分割多重システムが開示される。本発明は、波長多重システムが高精度に固定された波長を各ＷＤＭ（またはＤＷＤＭ）チャネルに対して有しなければならないという条件を回避し、チャネルが可変波長を有することを可能にする。
【００３４】
電子的に波長可変なＶＣＳＥＬ（ＴＶＣＳＥＬｓ）と、電子的に波長可変な共振キャビティ光検出器（ＴＲＣＰＤｓ）と、更に、ＴＶＣＳＥＬｓとＴＲＣＰＤｓのオンチップアレイを使用することにより、コスト効率の良い波長可変超高速ＷＤＭとＤＷＤＭシステムの形成が可能になる。
【００３５】
より狭い間隔５０ＧＨｚと２５ＧＨｚ（それぞれ、０．４と０．２ｎｍ間隔）もまた可能である。４×４ＶＣＳＥＬアレイの場合、各装置が、ある公称波長に対して、可能な６ｎｍ波長調整を提供し、０．４ｎｍチャネル間隔を仮定すれば、１６チャネル全てを使用することができる。このように、調整機構を有することは、単一チップ上に製造されたＶＣＳＥＬアレイに対しては必須条件である。特別な適用に対して波長間隔を調整できるということにより、ＤＷＤＭは根本的に変革される。
【００３６】
図１は、本発明の一つの実施形態によるインテリジェント波長分割多重システムを示している。システムは、（Ｎ＋１）個の可変レーザーを有する一つのアレイと、（Ｎ＋１）個の波長可変共振光検出器を有する一つのアレイの使用を条件とする。図１（ａ）は（Ｎ＋１）個の波長可変レーザーを有する一つのアレイ(110)を示している。全てのレーザーから放射されるレーザー光の波長は制御パラメータＵにより制御される。制御パラメータには、それに制限されるわけではないが、下記の制御パラメータが含まれる。
【００３７】
・量子閉じ込めシュタルク効果を使用する波長可変レーザーに対する電圧
・ブリーチング効果を使用する波長可変レーザーに対する注入電流
・波長の微細機構的変調を使用する波長可変レーザーに対する外部ミラーの位置、または
・印加された電圧がキャビティの幅を調整する、ピエゾ効果に基づく波長可変レーザーに対する電圧
波長可変レーザー(111)の一つは、基準波長λrefにおける基準レーザー光(116)を放射するように選択される。他の全ての可変レーザー(112)は、制御パラメータＵ（ｉ）のもとで作動し、ここにおいて、指数ｉはレーザーを示し、１からＮの値をとり、波長λref+Δλu(i)におけるレーザー光(117)を放射する。制御パラメータＵ（ｉ）は、基準波長λrefに対して、全てのレーザーにより放射された波長のシフト分Δλu(i)が所定の値に等しくなるように設定される。
【００３８】
図１（ｂ）は、（Ｎ＋１）個の波長可変共振光検出器のアレイを示している。全ての光検出器が共振感度を有する波長は、制御パラメータWにより制御される。制御パラメータには、それに制限されるわけではないが、下記のパラメータが含まれる。
【００３９】
・量子閉じ込めシュタルク効果を使用する波長可変共振光検出器に対する電圧
・ブリーチング効果を使用する波長可変共振光検出器に対する注入電流
・波長の微細機構的変調を使用する波長可変共振光検出器に対する外部ミラーの位置、または
・印加された電圧はキャビティの幅を調整する、ピエゾ効果に基づく波長可変共振光検出器に対する電圧
波長可変共振光検出器の一つは、基準光検出器(121)として働くように選択される。それは、波長λ0refの光に対する共振感度を有する。全ての他の波長可変共振光検出器(122)は、制御パラメータＷ（ｊ）のもとで作動し、ここにおいて指数ｊは光検出器を示し、１からＮまでの値をとり、波長λ0ref+Δλw(j)の光に対する共振感度を有している。好ましくは、制御パラメータを、光検出器のアレイに対する基準波長に関して、全てのｊ番目の光検出器の最大感度の波長λ0refのシフトが、レージングための基準波長に関して、ｊ番目のレーザーにより放射された光の波長λrefの対応するシフトに等しくなるように設定する。つまり、
Δλw(1)=Δλu(1)                    （１ａ）
Δλw(2)=Δλu(2)                    （１ｂ）
・・・
Δλw(N)=Δλu(N)                    （１ｃ）
基準光検出器(121)の最大感度の波長λ0refが、基準レーザー(111)により放射された光の波長λrefに等しければ、全てのｊ番目の光検出器は、対応するｊ番目のレーザーにより放射された光に共振感度を有することになる。λ0ref≠λrefならば、全ての光検出器は、対応するレーザーにより放射された光に対して共振状態にない。この場合、基準光検出器(121)の共振波長は、基準レーザー(111)により放射された光の波長に調整することができる。
【００４０】
図１（ｃ）は、波長可変共振光検出器のアレイ(130)を示し、ここにおいて基準光検出器(121)は、制御パラメータＷ（ｃｏｒｒ）のある値のもとで作動し、それは基準光検出器(121)の最大共振感度の波長が、基準レーザー(111)により放射された光(136)と一致するように調整して、
λref=λ0ref+Δλw(corr)                （２）
である。
【００４１】
基準光検出器(121)が、基準レーザー(111)により放射された波長に調整されるときの、必要な波長のシフトΔλw(corr)は知られている。そして、各j番目の可変共振光検出器が、制御パラメータＷ（ｊ）を、それが同じ波長のシフトを提供するように設定することができる。つまり、
Δλw(1、corr)=Δλw(corr)                （３ａ）
Δλw(2、corr)=Δλw(corr)                （３ｂ）
・・・
Δλw(N、corr)=Δλw(corr)                （３ｃ）
共振光検出器のアレイ全体に対する制御パラメータが、式（３ａ）〜（３ｃ）に従って設定されると、全てのｊ番目の光検出器は、対応するｊ番目のレーザーにより放射されたレーザー光に対する共振感度を有することになる。
【００４２】
図２は、波長可変レーザーアレイと波長可変共振光検出器アレイに基づくデータリンクの原理を更に説明する。図２（ａ）は、波長可変レーザーアレイ(210)と波長可変共振光検出器アレイ(220)を示し、それらは、下記の二つの条件が満たされるように調整される。第１番目の条件は、基準レーザーの波長に関して、各ｉ番目のレーザーにより放射された波長のシフトを制御する制御パラメータＵ（１）、Ｕ（２）、…、Ｕ（Ｎ）と、基準光検出器の共振波長に関して、各ｊ番目の共振光検出器の最大感度の共振波長のシフトを制御する制御パラメータＷ（１）、Ｗ（２）、…、Ｗ（Ｎ）を、式（１ａ）−（１ｃ）に従うように設定することである。第２番目は、基準光検出器(121)の共振波長λrefが、可変レーザーにより放射された波長に等しくなるように設定することである。これらの条件のもとでは、共振光検出器(220)のアレイ全体がレーザーアレイ(210)に調整される。
【００４３】
しかし、レーザーアレイと光検出器アレイは異なる場所に位置するために、図２（ｂ）に示すように、それらは通常は異なる温度で作動する。波長可変レーザーアレイ(230)は、基準レーザー(111)が、波長λ*refとしてレーザー光を放射するような条件のもとで作動する。他のレーザー(112)の波長は、制御パラメータＵ（ｉ）の設定値に従ってシフトされる。波長可変共振光検出器アレイ(240)は、基準光検出器(121)の共振波長がλ**refとなるような条件のもとで作動し、ここにおいて
λ**ref≠λ*ref                （４）
である。そして基準光検出器(121)は、基準レーザーから放射された光(236)は受光せず、共振光検出器(122)のそれぞれは、対応するレーザーから放射された光(237)を受光しない。光検出器はレーザー光を検出しない。
【００４４】
図３は、基準光検出器の共振波長を、基準レーザーの基準波長に調整する方法を示している。
【００４５】
１．  図３（ａ）は基準共振光検出器の感度のスペクトル(326)を示している。初期の段階では、スペクトルは、基準レーザーにより放射されたレーザー光の波長λ*refとは異なる波長λ**refに中心がある。光検出器の共振波長は、基準レーザーにより放射されたレーザー光の波長に一致する。
【００４６】
２．  そして、制御パラメータＷ（ｃｏｒｒ）が基準共振光検出器に印加され、共振波長をシフトする。制御パラメータＷ（ｃｏｒｒ）を体系的に変化させることで、基準共振光検出器の共振波長はそれに従って変化する。光検出器により提供される信号、例えば、光電流が観測される。
【００４７】
３．  光検出器の共振波長が、基準レーザーにより放射されたレーザー光の波長に一致するような制御パラメータの値において、光検出器により提供された信号は、その最大値に到達する。この場合の光検出器の感度のスペクトルは、図３（ａ）において破線(316)により示されている。レーザー光の波長は感度の最大値に対応する。基準光検出器の共振が、基準レーザーにより放射されたレーザー光に整合するときの制御パラメータＷ（ｃｏｒｒ）の値、
λ**ref+Δλw(corr) =λ*ref                （５）
と、対応する波長のシフトΔλw(corr)は固定されている。
【００４８】
４．  残りの共振光検出器の共振波長を制御する制御パラメータは、Ｗ（１，ｃｏｒｒ）、Ｗ（２，ｃｏｒｒ）、…、Ｗ（Ｎ，ｃｏｒｒ）の値に設定され、Δλw(corr)に等しい波長の追加シフトを提供する。つまり、
Δλw(1,corr) =Δλw(1)+Δλw(corr)                （６ａ）
Δλw(2,corr) =Δλw(2)+Δλw(corr)                （６ｂ）
・・・
Δλw(N,corr) =Δλw(N)+Δλw(corr)                （６ｃ）
となる。
【００４９】
５．  共振光検出器の共振波長に関して、ｊ番目の光検出器のそれぞれの共振波長の初期のシフトΔλw(j)と、基準レーザーの共振波長に関して、ｊ番目のレーザーのそれぞれにより放射されたレーザー光の波長のシフトΔλU(j)は、式（１ａ）−（１ｃ）に従い、同じ値分だけの、光検出器の共振波長の追加シフト値Δλw(corr)により、各ｊ番目の光検出器が、対応するｊ番目のレーザーと共振状態になる。
【００５０】
図３（ｂ）は、レーザーアレイ(330)と共振光検出器アレイ(340)を示しており、それらは上記のように自己調整される。基準光検出器(121)は基準レーザー(111)に対して調整され、基準レーザー(111)により放射されたレーザー光(236)は、基準光検出器(121)により受光(336)される。そして、他の全ての光検出器の共振波長が同じ値Δλw(corr)だけシフトされると、残りのレーザー(112)のそれぞれにより放射されたレーザー光(237)は、対応する光検出器(112)により受光(337)される。
【００５１】
図４は、本発明の一つの実施形態による波長分割多重システム(400)を示している。システムは、場所(401)に位置する波長可変レーザーアレイ(330)と、場所(402)に位置する波長可変共振光検出器アレイ(340)と、通信媒体(450)を含む。この本発明の実施形態に対しては、通信媒体として光ファイバーを使用することが好ましい。また、波長分割多重システム(400)が、多重化素子(460)と脱多重化素子(470)をも含むことが好ましい。
【００５２】
各レーザーがそれ自身の波長で発光している、アレイ(330)の全ての波長可変レーザーにより放射されたレーザー光は、多重化素子(460)を介して、光ファイバー(450)に向けて出力される。場所(402)においては、各波長のレーザー光が、脱多重化素子(470)を介して、アレイ(340)の対応する光検出器に向けて出力される。本発明の波長分割多重システムの一つの優位点は、各光検出器の共振波長の、対応するレーザーにより放射されたレーザー光の波長への自己調整である。レーザーの高精度な波長の安定化は必要でない。二つのアレイの自己調整により、システムはレーザーの高精度な波長の安定化を必要とせず、また温度の安定化も必要としないで作動できる。
【００５３】
種々の媒体を、本発明の波長分割多重システムにおける通信媒体として使用できる。可能な媒体としては、それに制限されるわけではないが、光ファイバーと、自由空間と、半導体チップがある。
【００５４】
本発明の別の実施形態においては、システムは多重化素子(460)を含まない。例えば、自由空間が通信媒体として使用されると、多重化素子は必要でない。
【００５５】
本発明の更に別の実施形態においては、システムは脱多重化素子(470)を含まない。この実施形態においては、全ての波長のレーザー光は各共振光検出器に到達する。しかし、光検出器は、共振が十分に狭いように設計されているため、各光検出器は一つのチャネルからのみ波長を受け取ることができる。光検出器が、対応するレーザーにより放射されたレーザー光の波長に自己調整されるときは、各光検出器は対応するレーザーから放射された光を受け取り、他のレーザーから放射された光は受け取らない。
【００５６】
本発明の波長分割多重システムは、通信ネットワークの一部としてオプションとして使用される。そのような通信ネットワークには、それに制限されるわけではないが、長距離ネットワーク、メトロポリタンエリアネットワーク、ローカルエリアネットワーク、データストレージネットワーク、コンピュータ相互接続、または自動車データネットワークが含まれる。
【００５７】
米国特許出願番号第09/867,167号は、場所依存電気光学効果に基づく波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーを開示している。光検出素子を備える波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーは、出願の実施形態の一つに開示されている。
【００５８】
本発明の一つの実施形態において、波長可変共振光検出器は、場所依存電気光学効果に基づく、波長分割多重システムの一部であるアレイを備えている。
【００５９】
図５は、本発明に従って形成された新しい波長可変共振光検出器(500)の例を示している。この構造は、基板(501)上にエピタキシャルに成長させられる。本構造は、底部ミラー(502)と、キャビティ(520)と、上部ミラー(516)を含み、キャビティ(520)は、底部ミラー(502)と上部ミラー(516)の間に挟まれている。分散型ブラッグ反射器が、底部ミラー(502)に対して使用される。
【００６０】
基板(501)は、好ましくは、いかなるIII −Ｖ族半導体材料または、例えばGaAs、InP、GaSbなどのようなIII −Ｖ族半導体合金から形成される。良好な実施形態は、GaAs基板である。
【００６１】
例えば、Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers:Design,Fabrication,Characterization,and Applications by C.W.Wilmsen,H.Temkin,LA.Coldren(editors),Cambridge University Press,1999に記載されているように、底部ミラー(1302)と上部ミラー(1314)に対して、異なる設計が使用される。良好な実施形態は、多層誘電体ミラーGaAs/AlGaO、多層半導体ミラーGaAs/GaAlAs、または多層半導体ミラーGa1-xAlxAs/Ga1-yAlyAsである。
【００６２】
キャビティ(520)は、二つの主要な素子、つまり１）底部ミラー上方の光検出素子(521)と、２）光検出素子上方の相制御素子(522)を有する。光検出素子(521)を形成するために、第１電流開口(503)は、ｎドープ電流拡散層(504)を、弱ｎドープ層(505)から分離する。ｎドープ電流拡散層(504)は、第１金属接点(513)を有する。光検出領域(506)は、弱ｎドープ層(505)と弱ｎドープ層(507)に挟まれている。第２電流開口(503)は、弱ｐドープ層(506)をｐドープ電流拡散層(508)から分離する。ｐドープ電流拡散層(508)は、第２金属接点(514)を有する。好ましくは、ｎドープ電流拡散層(504)は、底部ミラー(502)上に直接位置する。
【００６３】
好ましくは、光検出素子(506)は、光検出器が設計された対象である光の波長に対応する光子エネルギーよりも小さなエネルギーバンドギャップを有する挿入物により、光が光検出素子に吸収されるように形成される。光子エネルギーと波長は、下記の標準の公式により関係付けられる。
【００６４】
【数１】
2006526891.tif 000003
【００６５】
可能な実施形態には、それに制限されるわけではないが、量子井戸、量子配線、量子点、またはそのいかなる組み合わせの単一層または多層システムが含まれる。GaAs基板上の装置においては、良好な実施形態は、それに制限されるわけではないが、InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNyの挿入物、または類似の挿入物のシステムを含む。
【００６６】
相制御素子(522)を形成するために、弱ｐドープ層(509)が、第3電流開口(503)によりｐドープ電流拡散層(508)から分離される。変調器(510)は、弱ｐドープ層(509)と、弱ｎドープ層(511)に取り囲まれている。第４電流開口(503)は、ｎドープ層(511)を第２ｎドープ電流拡散層(512)から分離する。第２ｎドープ電流拡散層は、第３金属接点(515)を有する。好ましくは、分散型ブラッグ反射器もまた、相制御素子の上部に位置する上部ミラー(516)に対して使用される。好ましくは、ｎドープ電流拡散層(504)と(512)は、基板に格子整合または略格子整合する材料から形成され、光検出器が設計された対象となる、波長のある区間における光に対して透明であり、ドナー不純物によりドープされる。この層に対する良好な実施形態は、基板と同じ材料であり、例えばGaAsである。可能なドナー不純物には、それに制限されるわけではないが、S、Se、またはTeと、Si、Ge、またはSnのような両性不純物が含まれる。後者は、それが主に陽イオン副格子に組み込まれ、ドナー不純物として働くという技術的な条件において導入される。
【００６７】
好ましくは、ｐドープ電流拡散層(508)は、基板に格子整合または略格子整合する材料から形成され、光検出器が設計された対象となる、ある波長の区間における光に対して透明であり、アクセプタ不純物によりドープされる。この材料に対する良好な実施形態は、基板と同じ材料であり、例えばGaAsである。可能なアクセプタ不純物には、それに制限されるわけではないが、Be、Mg、Zn、Cd、Pb、またはMnと、Si、Ge、またはSnのような両性不純物が含まれる。後者は、それが主に陰イオン副格子に組み込まれ、アクセプタ不純物として働くという技術的な条件において導入される。
【００６８】
好ましくは、金属接点(513)、(514)、(515)は、多層金属構造から形成される。好ましくは、ｎドープ層(513)と(515)への接点は、それに制限されるわけではないが、構造Ni-Au-Geから形成される。好ましくは、ｐドープ層(514)への接点は、それに制限されるわけではないが、構造Ti-Pt-Auから形成される。
【００６９】
好ましくは、変調器(510)は、そのエネルギーバンドギャップが、基板のエネルギーバンドギャップよりも狭い、いかなる挿入物により形成される。好ましくは、可能な材料と構造は、光検出素子のものと同じである。しかし、特別な設計は、光検出器が設計された対象となる光の波長から、高エネルギー側上（より短い波長側上）において、変調器が強吸収ピークを示すようであるべきである。
【００７０】
光検出素子(521)は、光検出器には一般的であるが、逆バイアス(517)のもとで作動する。追加的な新相制御素子(522)は、逆バイアス(518)のもとで作動する。光は、上部ミラー(516)を介して入射する(537)。
【００７１】
各層は、電流阻止層として働く電流開口(503)により、隣接する層から分離される。好ましくは、電流開口(503)は、それに制限されるわけではないが、Al(Ga)O層、または陽子衝撃層から形成される。
【００７２】
図５の光検出器は、好ましくは下記のように作動する。逆バイアス(518)により形成された電界は主に、層(509)、(510)、(511)を含むドープされていない、または弱ドープ領域に印加される、変調器(510)は、強電気光学効果を有するように選択される。変調器(510)の屈折率は、バイアス(518)により制御される外部電界のもとで調整される。キャビティ(520)の共振波長は、振動条件により決定される(H.C.Casey,Jr.,and M.B.Panish,Heterostructure Lasers,Part A,Academic Press,N.Y.1978)。電磁波の光経路は、層(504)、第1電流開口(503)、層(505)、光検出層(506)、層(507)、第2電流開口(503)、層(508)、第3電流開口、層(509)、変調器(510)、層(511)、第4電流開口、及び層(512)を含む。全ての経路は、底部と上部の両者のミラーからの反射により２倍となる。変調器(510)における屈折率の変動は、第１に、変調器を介する光の光経路と、第２に、層(509)(または(511))から変調器(510)へ、及び変調器(510)から層(509)(または(511))への光の透過率に影響する。光検出器の共振波長の変調の効果は、図７から図１２の説明において下記において更に検討する。共振波長を有する光(537)は、光検出素子(506)により吸収され、ミリアンペアメータ(519)により測定される光電流となる。
【００７３】
他の実施形態において、接点の異なるシーケンスが使用される。相制御素子は、ｎ接触層と、変調器が挿入されるドープされていない、または弱ドープ層と、ｐ接触層を含む。本実施形態において、能動素子のｐ接触層と相制御素子のｎ接触層は、p+n+江崎トンネル接合により分離される。
【００７４】
本発明の他の実施形態は、波長可変共振光検出器における波長変調効果の向上を可能にする。波長可変共振光検出器を、GaAs、GaAlAsまたは、GaAsに格子整合または略格子整合する別の材料で形成された基板上で成長させると、装置は、アルミニウムの含有量が高く、好ましくは、x>0.93であるGa1-xAlxAsの層、または純粋なAlAsの層を含む。そのような層は、構造がエピタキシャルに成長させられた後、酸化することができ、AlAs層はAlO層に転換し、アルミニウムの含有量の高いGaAlAs層はGaAlO層に転換する。AlOとGaAlOの層は、GaAsまたはGaAlAsの屈折率よりもかなり低い屈折率を有する誘電体層である。AlO(GaAlO)の層がGaAs/GaAlAs多層構造に挿入されると、キャビティの光モードの電界強度は、AlO(GaAlO)層で減少し、隣接層で増大する。このように、AlO(GaAlO)層を変調器に近接して導入すると、変調器における光モードの電界は増大し、共振波長変調効果の向上につながる。
【００７５】
図６は、本発明による波長分割多重システムの一部である波長可変レーザー(600)を示している。特に、図６は、波長可変垂直キャビティ表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を示している。波長可変ＶＣＳＥＬ(600)は、基板(501)上でエピタキシャルに成長させられる。ＶＣＳＥＬは、底部ミラー(502)と、キャビティ(620)と、上部ミラー(516)を含む。キャビティ(620)は、能動素子(621)と相制御素子(622)を含む。能動素子(621)は、一般的に、図５に示される光検出器(500)の光検出素子(521)と同様に形成されるが、順バイアス(617)のもとで作動する。電流が、順バイアス(617)のもとで能動素子(606)に注入され、光が生成される。変調器(510)は、強電気光学効果を有するように選択される。変調器(510)の屈折率は、バイアス(518)により制御される外部電界のもとで調整される。光スペクトルのゲイン領域からの発光波長の選択は、キャビティ(620)に対する振動条件により決定される。変調器(510)の屈折率の調整は、キャビティ(620)の共振波長の変化という結果になる。従って、波長可変ＶＣＳＥＬ(600)により放射されるレーザー光(627)の波長もまた変化する。
【００７６】
他の実施形態は、本発明の波長分割多重システムの一部である、波長可変垂直キャビティ表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）における波長変調効果の向上を可能にする。波長可変ＶＣＳＥＬが、GaAs、GaAlAs、またはGaAsに格子整合または略格子整合する別の材料から形成されると、装置は、好ましくはｘ＞０．９３の、アルミニウムの含有率が高いGa1-xAlxAsの層、または純粋なAlAsの層を含む。そのような層は、構造がエピタキシャルに成長させられた後、酸化することができ、AlAs層はAlO層に転換し、アルミニウムの含有量の高いGaAlAs層はGaAlO層に転換する。AlOとGaAlO層は、GaAsまたはGaAlAsの屈折率よりもかなり低い屈折率を有する誘電体層である。AlO(GaAlO)の層がGaAs/GaAlAs多層構造に挿入されると、キャビティの光モードの電界強度は、AlO(GaAlO)層で減少し、隣接層で増大する。このように、AlO(GaAlO)層を変調器に近接して導入すると、変調器における光モードの電界は増大し、レーザー光により放射される波長の変調の向上につながる。
【００７７】
図５の波長可変共振光検出器と、図６の波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーの一般的な特徴は、光キャビティの共振波長を調整できる機能である。調整機構は、マイクロキャビティにおける量子閉じ込めシュタルク効果を使用して、共振キャビティ波長の大きなシフトを達成する機能に基づいている。
【００７８】
いかなる吸収ピーク（例えば、量子井戸における励起子共振吸収）は、図７において定性的に示したように、屈折率の大きな共振変調を引き起こす。この変調は、Kramers-Kronigの関係により記述される誘電体関数ε(ω)=ε’(ω)＋ｉε”(ω)の実部及び虚部に対する誘電体の磁化率の実部と虚部の間の相互接続に関連し、下記の式が成り立ち、
【００７９】
【数２】
2006526891.tif 000004
【００８０】
ここにおいて、ε0はバックグラウンド誘電率であり、Ｐは積分の主値である。
【００８１】
屈折率の最も強い共振変調は励起子共振エネルギーの近くで起こり、共振状態から滑らかに、ほぼ１／（Ｅ0−Ｅ）に比例して衰退していく。対照的に、吸収ピークのローレンツ線形の場合、ほぼ１／（Ｅ0−Ｅ）2に比例してはるかに急速に衰退していく。例えば、逆バイアスのｐ−ｎ接合において電圧を印加することにより、電界に設置された量子井戸（ＱＷ）において電子及びホールのレベルをシフトすることができ、励起子吸収共振のシフトを生じさせ、ある特別なエネルギーにおける屈折率を変調する。S.Adachi(“GaAs,AlAs,and AlxGa1-xAs:Material parameters for use in research and device applications” J.Appl.phys.Vol.58,pp.R1-R29(1985))の論文に記述されている材料パラメータを使用して、１０ｎｍの厚さのGaAs-Al0.4Ga0.6Asに対して算出された印加電界に対する励起子吸収エネルギーシフトが図８に示されている。励起子振動子の強度は印加される電界が増大すると減少する。しかし、この減少は、Y.P.Feng et al.(“Exciton Energies as a Function of Electric Field: Confined Quantum Stark Effect”,Physical Review B.Vol 48,1963-1966(1993))により示されているように、７−１０ｎｍの井戸幅と、１００ｋＶ／ｃｍ電界における１０−２０ｍｅＶのピークシフトに対しては重要でない。
【００８２】
時間応答、またはいわゆる量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）は、放射性再結合率により制限されず、超高速変調速度が実現できる。
【００８３】
共振吸収ピークを導入すると、キャビティモード光子エネルギーに影響する可能性がある。キャビティのFabri-Perot（ＥＰ）光子モードと、励起子電子モードのエネルギーが共振状態または共振状態に近いと、これらの二つのモードはもはやシステムの固有状態ではなくなる。両状態は、強く結合し、キャビティのポラリトンが起こる。Ga1-xAlxAs/AlAs(x=0.10)分散型ＤＢＲにより取り囲まれたGaAs上のGaAs3/2λ-マイクロキャビティを研究した、Houdre et al.(“Room-temperature cavity polaritons in a semiconductor microcavity”,Physical Review B.Vol.49,issue 23,pp.16761-16764(1994))により、キャビティポラリトンの実験観測とモデリングが行われた。底部ＤＢＲは0.25λ-レーザを１９対有し、上部ＤＢＲは１５対有した。１０ｎｍ（100Å）のGaAsバリアにより分離された三つの７．５ｎｍ（75Å）InGaAs(１３% In)の量子井戸をそれぞれが有する二つの挿入物が、キャビティの厚さの１／３と２／３において導入された。吸収（Ａ）スペクトルは反射率（Ｒ）と透過率（Ｔ）の測定から推測された。吸収は下記のように定義される。
【００８４】
Ａ＝１−Ｒ−Ｔ                （８）
更に、非対称構造に対しては、共振においてはＴ≪Ｒなので、Ａ≒１−Ｒとなる。量子井戸挿入物の光学特性は、ローレンツ振動子分散誘電率により記述される。
【００８５】
【数３】
2006526891.tif 000005
【００８６】
ここにおいて、ｆは単位面積当りの振動子強度、ｑは電子の電荷、ｍは真空中の電子の質量、Ｌzは量子井戸の厚さ、ｈはプランク定数、ε0は真空誘電率、Ｅ0は励起子エネルギー、そしてγは励起子線幅である。温度７７Ｋにおける量子井戸の測定吸収スペクトルは、Houdreらによる式（９）により適合された。この適合により、振動子ｆ＝４．８×１０12ｃｍ-2と線幅γ＝２．７ｍｅＶが推測される。
【００８７】
本発明の発明者は、キャビティの厚さの０．５において、三つの量子井戸を含む一つの挿入物が挿入される、１λ-キャビティに対して類似の計算を行った。ＤＢＲ−ＦＰ構造は標準伝達マトリックス法によりモデル化され、２Ｄの励起子が、式（２）からの誘電率で含まれている。計算は、励起子エネルギーと、キャビティモードにおける光子エネルギーとの間の異なるデチューニングに対して行われた。
【００８８】
Δ＝Ｅ0−Ｅcav                    （１０）
Houdreらは、励起子との相互作用を介してキャビティモードの固定分割を与えるキャビティにおける励起子と光子の結合の基本効果しか考慮しなかった。Houdreらは、波長の可変性について言及または研究をしなかった。Houdreらは、波長の可変性を達成する方法についていかなるガイダンスも提供しなかった。更に、Houdreらは、可変ＶＣＳＥＬまたは可変共振キャビティ光検出器の製造方法についても説明しなかった。更に、Houdreらは、波長分割多重システムについて言及しなかった。
【００８９】
対照的に、本発明は、キャビティの場所依存電気光学効果に基づく、波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーを開示する。本発明は、波長可変レーザーアレイと、波長可変共振光検出器アレイに基づく、波長可変共振キャビティ光検出器とインテリジェント波長分割多重システムも開示する。
【００９０】
更に本発明は、キャビティ長、ミラーのタイプ、量子井戸の数、またはキャビティに挿入される量子点層の数を調整することにより、どのようにして波長可変性を向上するかという方法を示している。本発明は、最大９ｎｍまでの波長のシフトを可能にする波長可変レーザーと波長可変共振光検出器の製造の実現可能性を示している。
【００９１】
図９は、共振における吸収スペクトルを示している。キャビティの中央のおける単一３量子井戸挿入物、１λ−キャビティと、ミラーに対する共振における算出吸収スペクトルは、Houdreらのものと同じである。計算によればキャビティモードの分割は５．９ｍｅＶであり、本質的にはHoudreらの結果と類似する。
【００９２】
共振において二つのスペクトル線間の分割Ωを増大するために、本発明の一つの実施形態は、高コントラストGaAs/AlOのＤＢＲを有するキャビティを含み、層はそれぞれ、３．５４と１．５８の屈折率（波長λ＝９２１．５ｎｍにおいて）を有する。この構造には、底部のＤＢＲには５対のGaAs/AlOが含まれ、上部ＤＢＲには４対のGaAs/AlOが含まれる。構造の反射率スペクトルは図１０に示されており、繰り返される広い阻止帯域を示している。キャビティとＤＢＲの共振特性に集中するために、１．４２ｅＶを超える光子エネルギーのGaAs吸収は考慮されていない。構造は波長９２１．５ｎｍ（光子エネルギー１．３４１ｅＶ）において共振するように算出される。反射率の計算は、GaAsとAlOそれぞれの、３．５４と１．５８の一定屈折率を仮定して行われる。
【００９３】
図１１（ａ）から（ｅ）は、四つの異なるキャビティに対する共振における二つの光モード間の分割上のキャビティ長の効果（ポラリトン効果）を示している。効果は、５対のGaAs/AlOミラーと、４対のGaAs/AlOミラーにより取り囲まれたGaAsの、０．５λ-、１λ-、１．５λ-、及び２λ-キャビティに対して算出されている。キャビティ長の増大と共に、分割が減少する。
【００９４】
図１１（ａ）は、底部ミラー(1111)と上部ミラー(1112)により区切られた最短（０．５λ)キャビティ(1110)を示している。各ＤＢＲの1周期のみを示している。量子井戸の多層を含む薄い挿入物である変調器(1113)は、キャビティモードの最大電界強度の場所の近くに配置される。変調器(1113)は、キャビティ(1115)中の定在電磁波の電界強度が最大の場所に位置する。そのような短いキャビティは、挿入物と光モードの最大重なりのため、最大の分割を示し、それは図１１（ｂ）に示すように１１．２ｍｅＶに等しい。
【００９５】
図１１（ｃ）は１λ−キャビティ(1120)を示し、変調器(1113)は、定在電磁波(1125)の電界強度が最大の場所に位置している。１λキャビティに対しては、酸化GaAs-Al(Ga)OのＤＢＲは、AlAs-GaAsのＤＢＲ（５．９ｍｅＶ）に比べて非常に大きな分割（８．９ｍｅＶ）を与える。
【００９６】
図１１（ｄ）は１．５λ-キャビティ(1130)を示し、変調器(1113)は定在電磁波(1135)の電界強度が最大の場所の一つに位置している。分割７．５ｍｅＶは、０．５λ−と１λ−キャビティにおける分割よりも低い。
【００９７】
図１１（ｅ）は２λ−キャビティ(1140)を示し、変調器(1113)は定在電磁波(1145)の電界強度が最大の場所の一つに位置している。分割６．７ｍｅＶは、図１１に示す全てのキャビティの中で最も低い。
【００９８】
モードの分割上の均一及不均一な幅の広がりの役割を評価することは重要である。この効果は、均一な幅の広がりの増加に対して非常に弱くしか影響されず、室温におけるより小さな脱位相時間を引き起こす。線幅（半値最大値における全幅、ＦＷＨＭ）の２．７ｍｅＶ（７７Ｋ）から９．３ｍｅＶ（３００Ｋ）への変化は、ミラーの分割エネルギーの変化（１１．２から８．９ｍｅＶへの減少）を引き起こす。これは、温度の変動は、上記の室温またはそれを超える温度に近い範囲においては、変調器の性能に大きな変化を与えないことを意味している。これは表１において示されており、表１は、０．５λ−キャビティモードの共振分割上の振動子強度の効果を示している。
【００９９】
【表１】
2006526891.tif 000006
【０１００】
いくつかの薄い量子井戸を使用すれば、効果をより大幅に増大することができる。それぞれが５ｎｍ（５０Å）の厚さで、５ｎｍ（５０Å）の厚さのGaAsの隔壁で分離された五つのInGaAsの量子井戸を備える多層構造を挿入すれば、振動子強度は、Houdreらによる論文中のものより５倍増大することができる。
【０１０１】
図１２は、キャビティ自身と、複数量子井戸の挿入物を有するキャビティの反射率スペクトルを示している。図１２（ａ）は、励起子吸収ピークが、キャビティモードから、より高いエネルギー側に位置する場合を示している。反射率スペクトルは、励起子線とキャビティモードの間の異なるエネルギーデチューニングに対して計算されている。励起子線は、キャビティモードから、より高いエネルギー側上にある。表２は、デチューニングに対するポラリトン効果によるキャビティモードのシフトを示している。曲線(1211)から(1217)は、表２に示された、異なるデチューニングの値を示している。曲線(1211)は、励起子効果がない場合のキャビティの反射率である。曲線(1212)は、デチューニングΔ＝１００ｍｅＶを表わしている。曲線(1213)は、デチューニングΔ＝５０ｍｅＶを表わしている。曲線(1214)は、デチューニングΔ＝３０ｍｅＶを表わしている。曲線(1215)は、デチューニングΔ＝２０ｍｅＶを表わしている。曲線(1216)は、デチューニングΔ＝１０ｍｅＶを表わしている。曲線(1217)は正確な共振を表わしており、Δ＝０である。
【０１０２】
図１２（ｂ）は、励起子吸収ピークが、キャビティモードから、より低いエネルギー側に位置する場合を示している。曲線(1221)から(1227)は、表２に示される、異なるデチューニングの値を示している。励起子線は、キャビティモードから、より低いエネルギー側上に位置している。曲線(1221)は、励起子効果がない場合のキャビティの反射率を表わしている。曲線(1222)は、デチューニングΔ＝−１００ｍｅＶを表わしている。曲線(1223)は、デチューニングΔ＝−５０ｍｅＶを表わしている。曲線(1224)は、デチューニングΔ＝−３０ｍｅＶを表わしている。曲線(1225)は、デチューニングΔ＝−２０ｍｅＶを表わしている。曲線(1226)は、デチューニングΔ＝−１０ｍｅＶを表わしている。曲線(1227)は、正確な共振を表わしており、Δ＝０である。
【０１０３】
【表２】
2006526891.tif 000007
【０１０４】
装置が正常に作動するためには、大きな波長シフトを達成し、同時に、キャビティ波長において強い吸収がないようにすることが重要である。従来技術は、この二つの条件を同時に満たすのは、ほとんど不可能と仮定していた。しかし、本発明は、これが事実でないことを示している。表２には、シフトの値と吸収値がまとめられている。垂直キャビティ表面発光レーザーに対しては、量子井戸における材料ゲインは約１０3cm-1であり、量子井戸ＶＣＳＥＬの損失は、この値よりはるかに小さな値に留まっていなければならない。
【０１０５】
表２は、５−６めＶ（４−５んｍ）のシフトが、キャビティ吸収の強すぎる向上がなくても、量子閉じ込めシュタルク効果を介して可能であることを示している。１．３−１．６μｍのスペクトル範囲における波長に対して、類似のエネルギーシフトはより大きな波長シフト（８から９ｎｍ）を引き起こす。
【０１０６】
吸収ピークと公称キャビティモードエネルギーとの間の非常に大きなエネルギーの分離に対しては、吸収を無視できる（変調器領域における材料の吸収は、１００ｍｅＶのエネルギー差に対して数十ｃｍ-1）ときは、励起子振動子強度を向上して、波長調整の範囲を増大することができる。振動子強度が更に2倍増大されると、シフトの値は約２倍になる。表３は、キャビティモードのシフトに対する、増大された振動子強度の効果を示している。損失もまた２倍になるが、それらは非常に小さな値に留まっており、レージング特性に重大な影響を与えることはない。このように、約１００ｍｅＶもの大きなエネルギー分離に対しても、大きな波長調整範囲を実現できる。
【０１０７】
【表３】
2006526891.tif 000008
【０１０８】
更なる調整効率の向上は、キャビティの最適設計を使用して、変調器領域における電界の強度を増大することにより実現できる。本発明の一つの実施形態においては、変調器領域はAlO層の間に挟まれている。光生成されたキャリアの効率のよい収集を確かなものにするために、酸化物被覆加工において非常に小さな開口を使用する。本発明の別の実施形態においては、変調器部分において重なり合っている酸化層との組み合わせにおいて、一つのキャビティ内接点を使用する。
【０１０９】
このように、キャビティモードのエネルギーは、最大５−６ｎｍの値だけシフトでき、提案されたキャビティ波長の調整機構は、波長可変レーザーと波長可変共振光検出器において実際に使用できる。他の実施形態において、変調器領域は、GaAlO層に挟まれている。
【０１１０】
屈折率を変調する他の機会は、順バイアスを加えることである。この場合、電界の印加は、非平衡キャリアの注入により制限される。しかし、注入されたキャリアは、自由キャリアと、利用できる電子とホールの状態のフェルミ空間充填による励起子スクリーニングを介して、励起子吸収ブリーチングを引き起こす。吸収ピークは消え、こうして屈折率は大きく修正される。Y.Chiba et al.(“Resonance-state calculation applying Weyl-Titchmarsh theory:Applicaion for the quantum-confined Stark effects on excitons in a GaAs-AlxGa1-xAs quantum well”,Physical Review B,Vol.41,pp.6065-6068(1990))に示されるように、強い逆バイアスが、電流注入パルスの後に加えられると、時間応答は放射性再結合またはバリアを介してのキャリアのトンネリングによる量子井戸の空乏時間により制限される。
【０１１１】
このように、別の実施形態において、波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーは、相制御素子と、順バイアスのもとで作動する変調器を含む。この実施形態においては、励起子吸収ブリーチングの効果により屈折率が変調される。
【０１１２】
別の実施形態においては、波長可変共振光検出器は、相制御素子と、順バイアスのもとで作動する変調器を含む。この実施形態においては、励起子吸収ブリーチングの効果を使用して屈折率が変調される。
【０１１３】
更に別の実施形態においては、外部ミラーの場所の微細機構的変調により、キャビティの長さが調整され、こうしてキャビティの共振波長が調整される。良好な実施形態においては、微細機構的変調を使用して、波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーにより放射されたレーザー光の波長を調整する。別の実施形態においては、微細機構的変調を使用して波長可変共振光検出器の共振波長を調整する。
【０１１４】
別の実施形態においては、ピエゾ効果を使用してキャビティの共振波長を調整する。キャビティは、強いピエゾ効果を示す材料から形成された層を含む。この層に制御電圧を加えると、層が変型し、それに応じてその厚さも変化する。こうして、キャビティの長さは変化し、それゆえ、キャビティの共振波長もまた変化する。良好な実施形態においては、ピエゾ効果を使用して、波長可変垂直キャビティ表面発光レーザーにより放射されたレーザー光の波長を調整する。別の良好な実施形態においては、ピエゾ効果により波長可変共振光検出器の共振波長を調整する。
【０１１５】
図５の波長可変共振光検出器と、図６の波長可変レーザーは、垂直キャビティ光電子装置である。本発明の別の実施形態は、N.N.Ledentsov and V.A.Shchukin, “Novel Concepts for Injection Lasers”,Optical Engineering,Vol.41(12),pp.3193-3203(2002)による論文中で記載された傾斜キャビティレーザーの一般的な概念に従って製造された波長可変傾斜キャビティレーザーである。簡潔に述べれば、傾斜キャビティレーザーは、キャビティが底部ミラーと上部ミラーの間に挟まれるように設計されている。好ましくは、両方のミラーは多層ミラーとして設計されている。ＶＣＥＬとＴＣＬの主な相違は、ＴＣＬのキャビティとミラーの両者は、光モードに対して共振しており、ミラー平面の垂線に対してある角度θで伝播する。
【０１１６】
傾斜キャビティレーザーには多くの優位点がある。第１に、傾斜キャビティレーザーは、表面発光レーザーとしてもエッジ発光レーザーとしても使用できる。第２に、キャビティとミラーに対する共振条件は独立しており、こうして、放射されたレーザー光の角度θと波長の両者の選択を可能にする。第３に、多層ミラーからの傾斜モードの反射率は、垂直モードの反射率よりはるかに高く、これにより、より少ない数の層と、より薄い合計の厚さを有するミラーを使用して、装置がキャビティの高い緻密度と同じ程度まで到達することができる。第４に、傾斜キャビティレーザーを表面発光レーザーとして使用するときに、良好な実施形態の一つにおいては、角度θは、キャビティの半導体材料と真空の間の境界における合計内部反射の角度を超え、放射レーザー光は隣接するフィールドを介して光ファイバーに直接結合されるようになっている。これにより、ファイバーへの結合における回折損失が大幅に削減される。第５に、傾斜キャビティレーザーをエッジ発光レーザーとして使用するときは、放射レーザー光の強い波長安定性がもたらされる。
【０１１７】
本発明の一つの実施形態において、傾斜キャビティは追加的に、レーザーにより放射されたレーザー光の波長を変調する、相制御素子を含む。一つの良好な実施形態において、波長可変共振光検出器は傾斜キャビティ共振光検出器である。
【０１１８】
別の実施形態において、波長分割多重システムは、波長可変エッジ発光レーザーを含む。波長可変エッジ発光レーザーは、放射されたレーザー光の波長の安定化と、レーザー光における単一縦モードの選択のために分散型フィードバックが使用される部分を含む。そのようなレーザーに変調器を使用すると、本発明の波長分割多重システムへの適用が可能になる。
【０１１９】
別の実施形態において、波長分割多重システムは、エッジ形状で作動する波長可変共振光検出器を含み、共振は、分散型フィードバックを使用する部分によりもたらされる。そのような光検出器に変調器を使用すると、本発明の波長分割多重システムへの適用が可能になる。
【０１２０】
本発明の波長分割多重システムの一つの基本的な優位点は、ある共振光検出器それぞれを、データリンクのあるチャネルに割り当てられたレーザーにより放射されたレーザー光の波長に自己調整する能力である。この自己調整の実施形態の一つは図１〜図３に示されている。
【０１２１】
本発明の別の実施形態において、共振光検出器とレーザーの調整は、基準レーザーと基準光検出器を使用しないで各チャネルに対して行われる。この実施形態においては、レーザーにより送信された信号は基準信号とデータ伝送信号の両者を含む。これら二つの信号は、振幅またはパルス持続時間が異なっていてもよい。システムは、光検出器により登録された基準信号がその最大値に到達するまで、対応する基準光検出器の波長を調整する。そして、データ伝送信号は同じ波長で登録される。
本発明の別の実施形態においては、波長分割多重システムは、波長可変レーザーと波長可変共振光検出器の両者を有する。この実施形態においては、第１アレイのレーザーは波長λ*のレーザー光を放射する。第２アレイの光検出器は、第１アレイの対応するレーザーにより放射されたレーザー光を登録する。第２アレイの光検出器は、登録された信号の強度Iについての情報を、第２アレイの対応するレーザーに伝送する。第２アレイの対応するレーザーは、第１アレイに、登録された強度についての情報を送り返すレーザー光を放射する。第１アレイの対応する光検出器は、強度Ｉについての情報を受け取る。システムは、強度Ｉがその最大値に到達するまで、第１アレイのレーザーにより放射されたレーザー光の波長λ*を調整する。
【０１２２】
別の実施形態において、異なる場所に位置する光電子装置のアレイは、ダイアログを確立できる。更に別の実施形態においては、それぞれがそれ自身の場所に位置している、光電子装置の三つ以上のアレイがンテリジェントネットワークを形成し、自己調整を可能にし、ダイアログの種々の形式を可能にする。アレイの好ましい数は、３から１００である。
【０１２３】
別の実施形態において、波長可変レーザーの波長を制御する制御パラメータＵは、レーザーにより放射されたレーザー光が周波数変調されるように変調される。対応する共振光検出器により検出された信号は、振幅変調される。この実施形態により高周波数動作が可能になる。
【０１２４】
別の実施形態においては、より高い電力で作動するために、能動または受動モード固定を使用することができる。飽和性アブソーバを有する二つの部分の装置における光双安定性を適用すれば、素子の論理機能可能になる。
【０１２５】
本発明のある特徴、つまり明確に述べれば、それぞれの実施形態の状況の中で記述されてきた特徴は、組み合わせて単一の実施形態においても提供されることは認識されよう。
【０１２６】
逆に、本発明の種々の特徴、つまり簡潔に述べれば、単一の実施形態の状況で記述された特徴は、いかなる適切なその一部の組み合わせにおいても分離して提供され得る。
【０１２７】
本明細書において言及された全ての刊行物、特許、及び特許出願は、それぞれの刊行物、特許、または特許出願が、この明細書に引用により組み込むために、具体的に、そしてそれぞれについて記述したと仮定したときと同程度に、本明細書に引用によりその全ての内容を組み込まれる。更に、本出願におけるいかなる参照の引用または特定は、そのような参照が、従来技術から本発明へと同じように利用できることを認めたものと解釈されてはならない。
【０１２８】
本発明は、その具体的な実施例に関して解説及び記述されたが、この技術に精通した者には、本発明において、及び本発明に対して、上述の、そして種々の他の変型、省略、及び追加が、半発明の思想と範囲を逸脱することなく可能であることは理解されるべきである。従って、本発明は、上述した特別な実施形態に制限されるものと理解されてはならず、付随する請求項において記述される特徴に関して、本発明に含まれる、及び本発明と等価な範囲において具現化され得る全ての可能な実施形態を含むと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】（ａ）は一つの基準レーザー及びＮ個のデータ通信レーザーを有する、波長可変レーザーアレイの略図を示し、（ｂ）は波長可変レーザーアレイから放射されたレーザー光と共振状態ではなく、レーザー光を検出しない波長可変共振光検出器アレイの略図を示し、（ｃ）は共振波長におけるシフトにより、波長可変レーザーアレイから放射されたレーザー光と共振状態にされ、レーザー光を検出する波長可変共振光検出器アレイの略図を示している。
【図２】（ａ）は装置の波長を制御する制御パラメータが、各光検出器を、対応するレーザーからのレーザー光と共振状態にするように設定されている、波長可変レーザーアレイと波長可変共振光検出器アレイの略図を示し、（ｂ）は二つのアレイが異なる場所に配置され、異なる温度で作動し、従って共振状態でない、波長可変レーザーアレイと波長可変共振光検出器アレイの略図を示している。
【図３】（ａ）は光検出器の共振波長が、検出信号がその最大値に到達するまで調整される、基準波長可変共振光検出器の自己調整方法の略図を示し、（ｂ）は光検出器の共振波長が、同じ波長シフト分だけシフトされ、全ての光検出器が対応するレーザーから放射されたレーザー光と共振状態にあり、レーザー光を検出する、波長可変レーザーアレイと波長可変共振光検出器アレイの略図を示している。
【図４】本発明の実施例による波長分割多重システムの略図を示している。
【図５】本発明の実施例による波長可変半導体垂直キャビティ共振光検出器の略図を示している。
【図６】本発明による波長分割多重システムの一部として作動する波長可変半導体垂直キャビティ表面発光レーザーの略図を示している。
【図７】（ａ）は量子井戸における励起子共振による共振吸収ピークを示し、（ｂ）は吸収ピークにより誘導された屈折率の変調を示している。
【図８】印加された電界の関数としての重いホールの励起子吸収シフトを示している。印加電界におけるバンドギャップ図が挿入図として示されている。
【図９】半導体のマイクロキャビティにおけるポラリトン効果を示している。
【図１０】（ａ）は高コントラストGaAs/AlOのDBRに取り囲まれたGaAsの０．５λ-キャビティの反射率スペクトルを示し、（ｂ）は拡大した反射率スペクトルを示し、一つの阻止帯域をより詳細に示している。
【図１１】（ａ）は二つのＤＢＲに取り囲まれた０．５λ-キャビティの略図を示し、（ｂ）は１１．２ｍｅＶに等しくする分割である、対称分割共振を示すある構造の算出吸収スペクトルを示し、（ｃ）は二つのＤＢＲに取り囲まれた１λ-キャビティと、キャビティモードの電界強度変化図と、挿入図の略図を示し、（ｄ）は二つのＤＢＲに取り囲まれた１．５λ-キャビティと、キャビティモードの電界強度変化図と、挿入図の略図を示し、（ｅ）は二つのＤＢＲに取り囲まれた２λ-キャビティと、キャビティモードの電界強度変化図と、挿入図の略図を示している。
【図１２】（ａ）は屈折率の励起子誘導変調による０．５λ-キャビティモードのエネルギーシフトを示し、（ｂ）は励起子線とキャビティモードの間の異なるエネルギーデチューニングに対して算出された反射率スペクトルを示している。
【図１３】能動素子が、通常通りに順バイアスのもとで作動し、相制御素子が逆バイアスのもとで作動する、垂直キャビティ表面発光レーザーの略図を示している。
【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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【国際調査報告】
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