(57)【要約】半導体構造は、第１クラッディング層（１２）と、第２クラッディング層（１３）と、１つまたは複数の半導体活性領域（１１）とを含む。光共振器（２０）が、第１ミラーおよび第２ミラーを光学軸に関して構造の対向端部に含むことによって形成される。１つまたは複数の傾斜ファセット（３０，３１）が、光結合を有する半導体構造を提供する。構造（１８）内において光学軸に沿った関連するビーム経路は、ジグザグ経路であり、これは、活性領域の高さに実質的に無関係である。信号生成装置および光増幅器を、構造と共に形成することが可能である。光変調器、マルチプレクサ、およびデマルチプレクサも、構造を使用することが可能である。
2004535679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造であって、前記ジグザグ光学軸と交差する第１ファセットおよび前記ジグザグ光学軸と交差する第２ファセットと光通信し、第１クラッディング層および第２クラッディング層を有するジグザグ構造と、
前記第１クラッディング層と前記第２クラッディング層との間に位置する第１活性領域と、
前記第１活性領域において分布の反転を提供するポンピング手段とを備えることを特徴とする半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項２】
前記第１クラッディング層および前記第２クラッディング層が、それぞれ、前記ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有し、入力信号が、前記ジグザグ構造内において前記ジグザグ光学軸に沿ってジグザグ経路を進行して、前記第１活性領域によって増幅されることを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項３】
前記第１ファセットおよび前記第２ファセットが、それぞれ、前記第１クラッディング層に隣接して配置された第１プリズムと、前記第１クラッディング層または前記第２クラッディング層に隣接して配置された第２プリズムとの一部であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項４】
前記第１ファセットおよび前記第２ファセットが、それぞれ、前記第１クラッディング層または前記第２クラッディング層の一部を横断して形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項５】
前記第１ファセットが、前記第１クラッディング層または前記第２クラッディング層の一方に隣接して配置された第１プリズムの一部であり、前記傾斜ファセットが、前記第１クラッディング層または前記第２クラッディング層の一部を横断して形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項６】
前記第１活性領域が、前記半導体活性領域の縦軸に沿って位置する増幅自然放出断絶を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項７】
基板をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項８】
前記基板が、ＩｎＰ、ＧａＮ、およびＧａＡｓからなる群から選択されることを特徴とする請求項７に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項９】
前記第１活性領域が、直接ギャップ半導体で作成されたヘテロ構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項１０】
前記第１活性領域が、直接ギャップ半導体で作成されたダブルへテロ構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項１１】
前記第１活性領域が、量子井戸を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項１２】
前記量子井戸が、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓから作成されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項１３】
前記量子井戸が、ＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓＰから作成されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項１４】
前記第１活性領域が、１つまたは複数の多重量子井戸を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項１５】
前記１つまたは複数の多重量子井戸が、ＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓＰから作成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項１６】
前記１つまたは複数の多重量子井戸が、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓから作成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項１７】
前記１つまたは複数の多重量子井戸が、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、およびＣからなる群から選択されたドーパントでドープされることを特徴とする請求項１４に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項１８】
前記第１活性領域が、１つまたは複数の量子細線を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項１９】
前記第１ファセットおよび前記第２ファセットが、前記ジグザグ光学軸に関して互いに平行であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項２０】
前記第１プリズムが、複数の出力面を有し、前記複数の出力面のそれぞれが、異なる波長を有する複数の光信号の１つを送信するように傾斜していることを特徴とする請求項３に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項２１】
前記第１プリズムが、その表面上に形成された回折格子を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項２２】
利得領域内に位置する第２活性領域をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項２３】
前記第２活性領域が、前記第１活性領域に平行であることを特徴とする請求項２２に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項２４】
前記第１活性領域に平行に位置する複数の活性領域をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項２５】
前記複数の活性領域のそれぞれが、異なる直接ギャップ半導体で作成されることを特徴とする請求項２４に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項２６】
ジグザグ光学軸と交差する第１ファセットおよびジグザグ光学軸と交差する第２ファセットと光通信するジグザグ光学軸を有し、第１クラッディング層および第２クラッディング層を有するジグザグ構造であって、該ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を前記第１クラッディング層および前記第２クラッディング層において有するジグザグ構造と、
前記第１クラッディング層と前記第２クラッディング層との間に位置する第１活性領域と、
前記ジグザグ構造に接続され、前記第１活性領域において分布の反転を提供するために、前記第１活性領域にポンプ電流を提供するように動作可能である電流源とを備えることを特徴とする半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項２７】
入力信号が、前記ジグザグ光学軸に沿って前記ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行し、かつ前記第１活性領域によって増幅されることを特徴とする請求項２６に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
【請求項２８】
ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む光共振器であって、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第１ファセットと光通信し、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第２ファセットと通信し、前記ジグザグ構造が、第１クラッディング層および第２クラッディング層を有し、前記第１ファセットが、第１反射率を有する第１ミラーを有し、前記第２ファセットが、第２反射率を有する第２ミラーを有し、前記第１反射率が、前記第２反射率に等しくなく、前記第１ミラーが、前記ジグザグ光学軸に関して前記第２ミラーと平行である光共振器と、
前記第１クラッディング層と前記第２クラッディング層との間に位置する第１半導体活性領域と、
前記第１半導体活性領域において分布の反転を提供するポンピング手段とを備えることを特徴とする半導体ジグザグレーザ。
【請求項２９】
前記第１クラッディング層および前記第２クラッディング層が、それぞれ、前記ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有し、入力信号が、前記ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行して、前記第１半導体活性領域によって増幅されることを特徴とする請求項２８に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項３０】
前記第１ファセットが、前記第１クラッディング層または前記第２クラッディング層の一方に隣接して配置されたプリズムによって提供されることを特徴とする請求項２８に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項３１】
前記第１ファセットが、前記第１クラッディング層または前記第２クラッディング層の一部を横断して形成されることを特徴とする請求項２８に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項３２】
前記第１半導体活性領域が、前記第１半導体活性領域の縦軸に沿って位置する増幅自然放出断絶を含むことを特徴とする請求項２８に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項３３】
基板をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項３４】
前記基板が、ＩｎＰおよびＧａＡｓからなる群から選択されることを特徴とする請求項３３に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項３５】
前記第１活性領域が、直接ギャップ半導体で作成されたヘテロ構造を含むことを特徴とする請求項２８に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項３６】
前記第１活性領域が、直接ギャップ半導体で作成されたダブルへテロ構造を含むことを特徴とする請求項２８に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項３７】
前記第１活性領域が、量子井戸を含むことを特徴とする請求項２８に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項３８】
前記量子井戸が、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓから作成されることを特徴とする請求項３７に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項３９】
前記量子井戸が、ＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓＰから作成されることを特徴とする請求項３７に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項４０】
前記第１活性領域が、１つまたは複数の多重量子井戸を含むことを特徴とする請求項２８に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項４１】
前記１つまたは複数の多重量子井戸が、ＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓＰから作成されることを特徴とする請求項４０に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項４２】
前記１つまたは複数の多重量子井戸が、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓから作成される
ことを特徴とする請求項４０に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項４３】
前記１つまたは複数の量子井戸が、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、およびＣからなる群から選択されたドーパントでドープされることを特徴とする請求項４０に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項４４】
前記第１活性領域が、１つまたは複数の量子細線を含むことを特徴とする請求項２８に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項４５】
前記第１活性領域が、１つまたは複数の量子点を含むことを特徴とする請求項２８に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項４６】
前記基板が、前記第１クラッディング層または前記第２クラッディング層に隣接することを特徴とする請求項３３に記載の半導体ジグザグレーザ。
【請求項４７】
ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む光共振器であって、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第１ファセットと光通信し、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第２ファセットと通信し、前記ジグザグ構造が、第１クラッディング層および第２クラッディング層を有し、前記第１ファセットが、第１反射率を有する第１ミラーを有し、前記第２ファセットが、第２反射率を有する第２ミラーを有し、前記第１反射率が、前記第２反射率を等しくなく、前記第１ミラーが、前記ジグザグ光学軸に関して前記第２ミラーと平行である光共振器と、
前記第１クラッディング層と前記第２クラッディング層との間に位置する第１半導体活性領域と、
前記第１半導体活性領域において分布の反転を提供するための前記ジグザグ構造に接続された電流源とを備えることを特徴とする半導体ジグザグレーザ。
【請求項４８】
ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む光共振器であって、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第１ファセットと光通信し、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第２ファセットと通信し、前記ジグザグ構造が、第１クラッディング層および第２クラッディング層を有し、前記第１ファセットが、第１反射率を有する第１ミラーを有し、前記第２ファセットが、第２反射率を有する第２ミラーを有し、前記第１反射率が、前記第２反射率に等しくなく、前記第１ミラーが、前記ジグザグ光学軸に関して前記第２ミラーと平行である光共振器と、
前記第１クラッディング層および前記第２クラッディング層との間に位置する第１活性領域と、
前記第１活性領域において分布の反転を提供するポンピング手段と、
前記光共振器と光通信する信号変調器と、
変調された光出力信号とを備えることを特徴とする光変調システム。
【請求項４９】
前記第１クラッディング層および前記第２クラッディング層が、それぞれ、前記ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有し、入力信号が、前記ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行し、かつ前記第１半導体活性領域によって増幅されることを特徴とする請求項４８に記載の光変調システム。
【請求項５０】
前記信号変調器が、前記光共振器の外部にあることを特徴とする請求項４８に記載の光変調システム。
【請求項５１】
前記第１クラッディング層に隣接して配置された基板をさらに含むことを特徴とする請求項４８に記載の光変調システム。
【請求項５２】
前記信号変調器が、圧電要素を含むことを特徴とする請求項４８に記載の光変調システム。
【請求項５３】
前記信号変調器が、前記圧電要素に隣接して配置されたプリズムをさらに含むことを特徴とする請求項５２に記載の光変調システム。
【請求項５４】
前記信号変調器が、ポッケルスセル、カーセル、およびマッハ−ツェンダー干渉計からなる群から選択されることを特徴とする請求項４８に記載の光変調システム。
【請求項５５】
前記信号変調器が、前記基板の上に配置されることを特徴とする請求項５１に記載の光変調システム。
【請求項５６】
前記信号変調器が、マッハ−ツェンダー干渉計であることを特徴とする請求項５５に記載の光変調システム。
【請求項５７】
ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む光共振器であって、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第１ファセットと光通信し、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第２ファセットと通信し、前記ジグザグ構造が、第１クラッディング層および第２クラッディング層を有し、前記第１ファセットが、それに隣接して第１反射率を有する第１ミラーを有し、前記第２ファセットが、それに隣接して第２反射率を有する第２ミラーを有し、前記第１反射率が、前記第２反射率と等しくなく、前記第１ミラーが、前記ジグザグ光学軸に関して前記第２ミラーと平行である光共振器と、
前記第１クラッディング層と前記第２クラッディング層との間に位置する第１活性領域であって、入力信号が、前記ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行し、かつ第１半導体活性領域によって増幅される第１活性領域と、
前記ジグザグ構造に接続され、かつ前記第１活性領域において分布の反転を提供する電流源と、
前記ジグザグ構造と光通信する信号変調器と、
変調された光出力信号とを備えることを特徴とする光変調システム。
【請求項５８】
半導体ジグザグ信号生成装置から信号を生成するステップと、
前記信号を光変調器で変調するステップとを含むことを特徴とする光信号を変調する方法。
【請求項５９】
前記信号を変調する前記ステップが、前記信号をほぼゼロの振幅の状態から最大振幅の状態に変調することをさらに含むことを特徴とする請求項５８に記載の光信号を変調する方法。
【請求項６０】
波長分割多重化を使用する通信システムにおいて使用する半導体ジグザグ逆多重化システムであって、
ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造であって、前記ジグザグ光学軸と交差する第１ファセットおよび前記ジグザグ光学軸と交差する第２ファセットと光通信し、半導体利得領域が、第１クラッディング層および第２クラッディング層を有するジグザグ構造と、
前記第１クラッディング層と前記第２クラッディング層との間に位置する第１半導体活性領域と、
前記第１半導体活性領域において分布の反転を提供するための前記光共振器に接続された電流源と、
前記第１ファセットと光通信する入力光ファイバであって、光ファイバが、それぞれ周波数が異なる複数の別々の搬送波信号を含む入力信号を搬送し、前記複数の別々の搬送波信号のそれぞれが、利得領域内において別々のジグザグ経路を進行し、かつ前記第１半導体活性領域によって増幅される入力光ファイバと、
前記第２ファセットと光通信する複数の出力光ファイバであって、それぞれが、前記複数の別々の搬送波信号の１つを出力する複数の出力光ファイバとを備えることを特徴とする半導体ジグザグ逆多重化システム。
【請求項６１】
波長分割多重化を使用する通信システムにおいて使用する半導体ジグザグ多重化システムであって、
ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造であって、前記ジグザグ光学軸と交差する第１ファセットおよび前記ジグザグ光学軸と交差する第２ファセットと光通信し、半導体利得領域が、第１クラッディング層および第２クラッディング層を有するジグザグ構造と、
前記第１クラッディング層と前記第２クラッディング層との間に位置する第１半導体活性領域と、
前記第１半導体活性領域において分布の反転を提供する前記ジグザグ構造に接続された電流源と、
前記第１ファセットと光通信する複数の入力光ファイバであって、複数の入力光ファイバのそれぞれが、異なる周波数の入力搬送波信号を搬送するように動作可能であり、各別々の搬送波信号が、利得領域内において別々のジグザグ経路を進行し、かつ前記第１半導体活性領域によって増幅される複数の入力光ファイバと、
前記第２ファセットと光通信する出力光ファイバであって、そのように増幅された各別々の搬送波信号が、出力光ファイバに入る出力光ファイバとを備えることを特徴とする半導体ジグザグ多重化システム。
【請求項６２】
第１クラッディング層と第２クラッディング層との間の活性領域と、
ジグザグ光学軸を介して光通信する第１ファセットおよび第２ファセットとを備え、
前記ジグザグ光学軸が、前記第１クラッディングと、前記活性領域と、前記第２クラッディング層とを通過することを特徴とする半導体レーザ。
【請求項６３】
第１クラッディング層と第２クラッディング層との間の少なくとも１つの活性領域と、
ジグザグ光学軸に沿って第２ファセットと光通信する第１ファセットとを備え、前記ジグザグ光学軸が、前記第１クラッディング層と、前記少なくとも１つの活性領域と、前記第２クラッディング層とを通過することを特徴とする半導体レーザ。
【請求項６４】
第１クラッディング層と第２クラッディング層との間の少なくとも１つの活性領域と、
半導体レーザが給電されたとき、ジグザグ光学軸が、第１ファセットから前記少なくとも１つの活性領域を経て第２ファセットまで創出されるように、第２ファセットと光通信する第１ファセットとを備えることを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザの分野に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、関連するビーム経路が半導体レーザの１つまたは複数の活性領域の縦軸に関してジグザグに進行する半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
２００１年７月１２日に出願された米国仮特許出願第６０／３０４，９７２号に対する３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９の下での本出願の優先権を主張する。
従来の半導体レーザは、通常ダイオードレーザと呼ばれ、端面発光レーザおよび垂直共振器面発光レーザ（「ＶＣＳＥＬ」）の２つの一般的なクラスに分類される。各クラスに関連する利点および欠点がある。
【０００３】
端面発光半導体レーザは、利得領域を形成する光学的活性媒質をレーザの光共振器内に含む領域の端面または暴露面から直接発光する。端面発光レーザから放出された光は、活性媒質の利得スペクトルによって制御され、かつ半波長の整数倍が縦方向空洞軸の光路長に等しい波長に限定される周波数スペクトルを有する。端面発光半導体レーザから放出された光は、遠距離場角度発散、すなわち、レーザによって生成された出力ビームが、レーザの出力開口の寸法と比較して相対的に大きいレーザからの距離において分布する角度によって特徴付けられる。端面発光レーザの遠距離場角度発散は、ほとんどの他のレーザより大きい。さらに、アスペクト比、すなわち活性領域の深さに垂直な遠距離場角度発散と活性領域の幅の遠距離場角度発散との比は、１より大きい。すなわち、端面発光レーザによって放出された光円錐は、大きな偏心率を有する楕円であり、したがって、生成される光は、非常に非対称な楕円分布を有する。これにより、視準と、光ファイバへの結合との両方が困難になることがある。波長の制御について、端面発光レーザは、通常、分布帰還構造（ＤＦＢ）または分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）など、コストのかかる帰還構造を使用する。端面発光レーザは、一般に、１．３および１．５５ミクロン（μｍ）の波長信号を使用するシステムを含めて、光ファイバシステムによく適している波長において長い利得長を呈示し、したがって、高出力を呈示するという利点を有する。
【０００４】
対照的に、ＶＤＳＥＬは、レーザの光共振器の利得領域または層を形成する光活性媒質を含む領域に平行な面または表面から光を放出する。ＶＣＳＥＬから放出された光は、ＶＣＳＥＬの活性媒質の利得スペクトルと、利得層の上下にある多層コーティング構造の共振器特性とによって制御された光の周波数からなる周波数スペクトルを有する。その結果、ＶＣＳＥＬは、通常、良好なアスペクト比、すなわちほぼ１に等しいアスペクト比を有する大きな断面積の出力ビームを呈示するという利点を有する。このアスペクト比がほぼ１であることにより、通常のＶＣＳＥＬ出力ビームは、容易に視準され、光ファイバへの容易な結合を提供する。一般に、ＶＣＳＥＬは、短い利得長と、高反射率反射器を組み込む必要性があることと、そのような反射器を長距離光ファイバシステムによく適した波長において動作させることが困難であることとを含む欠点を有する。
【０００５】
固体状態または代替として液体色素の活性媒質を使用するスラブレーザが、当技術分野では既知である。あるスラブレーザは、折返し空洞設計を使用し、光がスラブ内で進行する経路のために「ジグザグ」レーザとして既知である。そのようなジグザグレーザを設計する動機は、共振器および活性媒質の熱および材料の非一様性によって生成される逸脱を平均化することであった。そのようなジグザグレーザの例は、Ｋｅｌｉｎ（１９８６年に発行された米国特許第４，６１７，６６９号）、Ｋｕｂａら（１９９６年に発行された米国特許第５，５５７，６２８号）、Ｋｏｍｉｎｅ（１９９７年に発行された米国特許第５，６４０、４８０号）、およびＩｎｊｅｙａｎ（２０００年に発行された米国特許第６，０９４，２９７号）において開示されている。また、ＫｌｉｍｅｋらのＤｙｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｔｕｄｉｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｚｉｇ−Ｚａｇ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ、３０  ＩＥＥＥ  Ｊ．ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ１４５９（１９９４）；Ａｌｅｘａｎｄｅｒ  ＭａｎｄｌおよびＤａｎｉｅｌ  Ｋｌｉｍｅｋ、Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｚｉｇ−Ｚａｇ  Ｄｙｅ  Ｌａｓｅｒ、３１  ＩＥＥＥ  Ｊ．ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  ９１６（１９９５）；およびＡｌｅｘａｎｄｅｒ  ＭａｎｄｌおよびＤａｎｉｅｌ  Ｋｌｉｍｅｋ、Ｃｈｉｒｐ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ、Ｇｏｏｄ  Ｂｅａｍ  Ｑｕａｌｉｔｙ、Ｚｉｇ−Ｚａｇ  Ｄｙｅ  Ｌａｓｅｒ、３３  ＩＥＥＥ  Ｊ．ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  ３０３（１９９７）をも参照されたい。そのようなジグザグレーザのビーム品質は、共振器の材料の非一様性から生じる逸脱によって限定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、従来の半導体製造技術によって作成することができ、長い利得長および良好なアスペクト比を提供し、かつ高価な帰還構造を必要としない半導体レーザまたは半導体光増幅器が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡潔かつ一般的には、本発明は、ジグザグ構造内に位置する１つまたは複数の半導体活性領域を含む。ジグザグ構造は、１つまたは複数の所望の周波数の光に対して透過性である。光は、１つまたは複数の活性領域に関してジグザグの経路を取る光学軸に沿って、ジグザグ構造内を進行する。全内部反射（「ＴＩＲ」）のために、ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行するすべての光が保持され、光は、ＴＩＲ角より小さい角度にあるウィンドウまたは開口によって失われ、または漏れる。ジグザグ構造の利得領域をミラー間に包含し、それにより、共振器が形成され、かつジグザグ構造がレーザとして機能するように、ミラーを光学軸の端部に配置することが可能である。
【０００８】
本発明は、複数の態様を呈示する。本発明の一態様は、増幅される光信号が、ジグザグ光学軸に沿ってジグザグ構造に入り、ジグザグ構造内の１つまたは複数の活性領域において増幅され、次いで光学軸に沿ってジグザグ構造を出る光増幅器を含む。本発明の他の態様は、光学軸の対向端部にミラーを有し、それにより共振器またはレーザを形成するジグザグ構造を含む。レーザは、入力光ビームを使ってまたは入力光ビームを必要とせずに出力ビームを生成することが可能である光源または「信号生成装置」として動作することが可能である。出力ビームは、いくつかの光信号変調器のいずれかによって変調することができる。
【０００９】
本発明の第１態様は、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を包含する光増幅器を包む。ジグザグ構造は、第１活性領域を含む。光は、ジグザグ光学軸に沿って進行し、第１活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、第１ファセットおよび第２ファセットと光通信し、第１ファセットおよび第２ファセットは、両方ともジグザグ光学軸と交差する。ジグザグ構造は、第１クラディング層および第２クラッディング層を含む。第１活性領域は、第１クラッディング層と第２クラッディング層との間にある。第１活性領域において分布の反転を提供するポンピング手段を含むことが可能である。ポンピング手段は、利得領域に接続された電流源とすることが可能である。ポンピング手段は、光信号源とすることも可能である。第１クラッディング層および第２クラッディング層は、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側にある領域より大きい屈折率を有する可能性がある。入力信号は、ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行し、第１活性領域によって増幅される。
【００１０】
第２態様は、半導体ジグザグレーザを含む。レーザは、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む。ジグザグ構造は、第１活性領域を含む。光は、ジグザグ光学軸に沿って進行し、第１活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、第１ファセットおよび第２ファセットと光通信し、第１ファセットおよび第２ファセットは、両方ともジグザグ光学軸と交差する。第１ミラーおよび第２ミラーが、それぞれ、第１ファセットおよび第２ファセットと隣接する光学軸の対向端部に配置され、ジグザグ構造が、光学軸に関して第１ミラーと第２ミラーとの間に位置し、共振器を形成する。第１ミラーおよび第２ミラーは、ジグザグ光学軸に関して互いに平行であり、それぞれ、異なる反射率を有する。ジグザグ構造は、第１クラッディング層および第２クラッディング層を含む。第１活性領域は、第１クラッディング層と第２クラッディング層との間にある。第１活性領域において分布の反転を提供するポンピング手段が含まれる。ポンピング手段は、利得領域に接続された電流源とすることが可能である。ポンピング手段は、光信号源とすることも可能である。第１クラッディング層および第２クラッディング層は、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側にある領域より大きい屈折率を有する。光は、第１ミラーと第２ミラーとの間にある共振器の内部において共振し、光は、より低い反射率を有するミラーによってジグザグ構造から漏れる。
【００１１】
第３態様は、半導体ジグザグレーザから光信号を生成するステップと、光変調器で信号を変調するステップとを包含する光信号を変調する方法を含む。適切な変調器の非限定的なリストには、圧電要素、カーセル、ポッケルスセル、およびマッハ−ツェンダー干渉計が含まれる。
第４態様は、光変調システムを含み、このシステムは、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を包含する光共振器を含む。ジグザグ構造は、第１活性領域を含む。ジグザグ光学軸に沿って進行する光は、第１活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、第１ファセットおよび第２ファセットと光通信し、第１ファセットおよび第２ファセットは、両方ともジグザグ光学軸と交差する。光共振器は、第１ミラーおよび第２ミラーをも含む。各ミラーは、異なる反射率を有する。第１ミラーおよび第２ミラーは、ジグザグ光学軸に関して互いに平行である。ジグザグ構造は、第１クラッディング層および第２クラッディング層を有し、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有する。第１活性領域は、第１クラッディング層と第２クラッディング層との間にある。また、第１活性領域をポンピングする手段も含まれ、ポンピング手段は、第１活性領域において分布の反転を提供する。ポンピング手段は、電子的または光学的とすることが可能であり、光共振器に接続された光源とすることが可能である。信号変調器が、光共振器と光通信する。変調された光出力信号が生成される。
【００１２】
第５態様は、波長分割多重化を使用する通信システムにおいて使用する半導体ジグザグ逆多重化システムを含む。半導体ジグザグ逆多重化システムは、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む。ジグザグ構造は、第１活性領域をさらに含む。光は、ジグザグ光学軸に沿って進行し、第１活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、ジグザグ光学軸と交差する第１ファセットおよび第２ファセットと光通信する。ジグザグ構造は、第１クラッディング層および第２クラッディング層を有し、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有する。第１活性領域は、第１クラッディング層と前記第２クラッディング層との間にある。半導体ジグザグ逆多重化システムは、ポンピング手段をさらに含み、この例には、利得領域に接続された電流源および光信号が含まれる。ポンピング手段は、第１半導体活性領域において分布の反転を提供する。入力光ファイバが、第１ファセットを介してジグザグ構造と光通信する。光ファイバは、それぞれが異なる周波数である複数の別々の搬送波信号を含む入力信号を搬送する。各別々の搬送波信号は、利得領域内において別々のジグザグ経路を進行し、第１半導体活性領域によって増幅される。複数の出力光ファイバが、第２ファセットを介してジグザグ構造と光通信する。各別々の搬送波信号は、増幅された後、複数の出力光ファイバの異なる１つに入る。
【００１３】
第６態様は、波長分割多重化を使用する通信システムにおいて使用する半導体ジグザグ多重化システムを含む。半導体ジグザグ多重化システムは、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む。ジグザグ構造は、第１活性領域をさらに含む。光は、ジグザグ光学軸に沿って進行し、第１活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、ジグザグ光学軸と交差する第１ファセットおよび第２ファセットと光通信する。ジグザグ構造は、第１クラッディング層および第２クラッディング層を有し、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有する。第１活性領域は、第１クラッディング層と第２クラッディング層との間にある。ポンピング手段がさらに含まれ、この例には、利得領域に接続された電流源、または光信号が含まれる。ポンピング手段は、第１半導体活性領域において分布の反転を提供する。複数の入力光ファイバが、第１ファセットを介してジグザグ構造と光通信する。複数の光ファイバのそれぞれが、異なる周波数の入力搬送波信号を搬送し、各別々の搬送波信号は、ジグザグ構造内において別々のジグザグ経路を進行し、やはり、第１半導体活性領域によって増幅される。出力光ファイバが、第２ファセットを介してジグザグ構造と光通信する。各別々の搬送波信号は、増幅された後、出力光ファイバに入る。
【００１４】
第７態様は、第１クラッディング層と第２クラッディング層との間に少なくとも１つの活性領域を包含する半導体レーザを含む。第１ファセットおよび第２ファセットが、ジグザグ光学軸を介して光通信する。ジグザグ光学軸は、第１クラッディング層と、少なくとも１つの活性領域と、第２クラッディング層とを通過する。レーザ給電手段を含むことが可能である。給電手段は、電流源とすることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、図面が添付されている以下の詳細な記述を参照することによって、より完全に理解されるであろう。
以下の記述は、例示としてのみ提供され、特に明示されない限り、本発明の範囲を限定することを意図していない。
本発明は、光増幅器とレーザまたは信号源（「信号生成装置」）との両方を含む。本発明の範囲内では、「光増幅器」という用語は、マルチプレクサおよびデマルチプレクサをも含むことが可能であるが、これに限定されるものではない。本明細書で使用する際に、「ファセット」という用語は、光が通過することが可能である面セグメントまたは面の一部を指すことを含む。さらに、「ファセット」という用語は、あらゆるタイプの外周を有する面セグメントを指すことを含む可能性があり、その例には、平行四辺形、四辺形、台形、および曲線の組合せが含まれるが、これに限定されるものではない。「ファセット」という用語は、結晶ファセット面を指すこともあるが、必ずしもそうではない。
【００１６】
同じ要素には同じ名称が付けられている図面を参照すると、本発明の半導体ジグザグレーザ１０または半導体光増幅器１０が示されている。実施形態に共通である、第１クラッディング層１２と第２クラッディング層１３との間に位置する半導体活性領域１１と、ジグザグ光学軸と光通信している第１ファセットおよび第２ファセットとを含む構造が示されている。本明細書では、この構造を「ジグザグ構造」１８と呼ぶことがある。光は、全内部反射（「ＴＩＲ」）のためにジグザグ経路の光学軸に沿ってジグザグ構造１８を通過し、活性領域１１の面と交差して、そこで、入射角が鋭角すなわちθc＜θi＜９０°である場合、増幅される。θcは、ジグザグ構造１８の屈折率と、その外部の領域の屈折率との比率のアークサインである。ジグザグ構造１８は、ＴＩＲによる光を包含する境界面または表面によって画定される。
【００１７】
図１を参照すると、本発明の実施形態による光増幅器１０が示されている。活性領域１１が、ジグザグ構造１８の内部において、第１クラッディング層１２と第２クラッディング層１３との間に示されている。クラッディング層は、両方とも所望の波長の光子に対して透過性である。第１クラッディング層１２は、基板１４の上に位置して示されている。第１クラッディング層１２は、基板１４より十分に大きい屈折率を有する材料で作成することが可能であり、それにより、基板１４と第１クラッディング層１２との間の第１境界面１２ａにおいてＴＩＲが得られる。
【００１８】
図１に示した実施形態では、第２クラッディング層１３の上に層または材料は配置されていない。これにより、第２クラッディング層１３と空気との間の第２境界面１３ａが得られる。第２クラッディング層１３の屈折率と空気の屈折率とが異なるために、ＴＩＲが第２境界面１３ａにおいて生じる。入力プリズム１５ａおよび出力プリズム１５ｂを、光増幅器１０の対向端部において第２クラッディング層１３と接触させて配置することが可能である。図１に示したジグザグ構造１８は、境界面１２ａおよび１３ａと、光結合プリズム１５ａおよび１５ｂの外面３０、３１とによって画定される。プリズム１５ａ、１５ｂは、ジグザグ構造内を進行するビームのジグザグ光学軸と交差する。
【００１９】
活性領域１１の材料は、任意の直接ギャップ半導体とすることが可能である。「直接ギャップ」という用語は、同じ運動量に対応する価電子帯の最大および伝導帯の最小を指し、グラフとしては、半導体のエネルギー運動量の関係のグラフにおいて見ることができる。そのような材料におけるこの直接ギャップの位置合わせは、伝導帯から価電子帯への遷移中に効率的に光子を放出する能力の実証であるが、その理由は、そのような遷移中には光子が主に放出され、一方、音子は、放出されるとしてもわずかであるからである。ジグザグ構造の残りの材料は、１つまたは複数の所望の周波数に対して透過性であればよく、半導体活性領域に結合、接合、または成長する能力を有する。第１クラッディング層および第２クラッディング層は、他の考慮対称によって必要とされるように、ｐドープまたはｎドープとすることが可能である。
【００２０】
１つまたは複数の活性領域の材料が、偏光に関係しない場合、第１クラッディング層および第２クラッディング層の屈折率は、１つまたは複数の活性領域の屈折率に整合させる必要はない。１つまたは複数の活性領域の材料が、偏光に関係し、かつｓ偏光を必要とするとき、クラッディング／活性領域境界面における反射が最小限に抑えられるように、各クラッディング層の屈折率は、１つまたは複数の活性領域の屈折率に厳密に整合されるべきである。
【００２１】
活性領域１１の適切な直接ギャップ半導体の例には、以下が含まれるが、これに限定されるものではない：ガリウムひ素（ＧａＡＳ）、ガリウム窒素（ＧａＮ）、ガリウム鉛（ＧａＳｂ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、インジウムひ素（ＩｎＡｓ）、およびインジウム鉛（ＩｎＳｂ）を含む２進半導体；アルミニウムガリウムひ素（ＡｌxＧａl-xＡｓ）、アルミニウムインジウムひ素（ＡｌxＩｎl-xＡｓ）、ガリウムインジウムひ素（ＧａxＩｎl-xＡｓ）、ガリウムひ素鉛（ＧａＡｓl-xＳｂx）、およびインジウムひ素リン（ＩｎＡｓl-xＰx）を含む３進半導体；インジウムガリウムひ素リン（Ｉｎl-xＧａxＡｓ1-yＰy）、インジウム窒素ひ素リン（ＩｎＮyＡｓxＰl-x-y）、およびアルミニウムガリウムインジウムひ素（ＡｌxＧａyＩｎl-x-yＡｓ）を含む４進半導体。合金要素の割合に応じて、合金システムを直接ギャップから間接ギャップに変更することができる場合、直接ギャップが好ましい。
【００２２】
好ましい実施形態では、高密度波長分割多重化（ＤＷＤＭ）の応用分野について、インジウムガリウムひ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）を活性領域１１の材料に使用することが可能であり、これにより、１．５５ミクロンに近い波長の光子が生成される。他の好ましい実施形態では、インジウムリン（ＩｎＰ）の合金またはガリウムひ素（ＧａＡｓ）の合金を活性領域１１において使用することが可能である。ＩｎＧａＡｓまたはＧａＡｓを活性領域の材料として使用するある例示的な実施形態では、以下でより詳細に議論する劈開および微細研磨を含む製造技術を使用することが可能である。
【００２３】
活性領域１１は、少なくとも１つのｐドープ直接ギャップ半導体領域と、少なくとも１つのｎドープ直接ギャップ半導体領域とを含む（それにより、ｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合が形成される）。これらのｎドープ領域およびｐドープ領域は、図面には示されていないが、活性領域１１に存在することを理解されたい。
活性領域１１は、適切な直接ギャップ半導体から作成された１つまたは複数のヘテロ構造または量子構造、あるいはそのような構造の組合せを含むことも可能である。「量子構造」という用語は、量子井戸、量子細線、および量子点を含む。例示的な実施形態では、量子井戸は、活性領域１１の内部に存在する。本発明のある実施形態は、引張歪の影響を受ける量子井戸を含む。ある実施形態は、ヘテロ構造を含み、ダブルヘテロ構造を含むことが可能である。本発明の装置のすべての層は、従来の半導体製造技術によって装置を製造することが可能であるように、近傍と格子整合される。「格子整合される」という用語は、結晶構造の文脈では、各層の材料が、近傍の結晶格子定数に厳密に整合された結晶格子定数を有するように選択されることを意味する。しかし、具体的には歪んだ量子井戸を活性領域１１に有する実施形態などのある実施形態では、ある量の格子不整合が望ましい可能性がある。
【００２４】
第１クラッディング層１２および第２クラッディング層１３は、所望の波長に対して透過性であるように、適切な材料で作成される。好ましい実施形態では、第１クラッディング層１２は、ドープされていないＩｎＧａＰで作成され、第２クラッディング層１３も、ドープされていないＩｎＧａＰで作成される。他の好ましい実施形態の例では、第１クラッディング層１２は、ドープされていないＧａＡｓで作成され、第２クラッディング層１３も、ドープされていないＧａＡｓで作成される。図示したように、たとえば図１では、２つのクラッディング層１２、１３は、それぞれ、１２ａおよび１３ａとそれぞれ示された活性領域１１に対する遠位面である。したがって、２つのクラッディング層は、それぞれ、１２ｂおよび１３ｂとそれぞれ示された活性領域１１に対する近位面である。好ましい実施形態では、電気接触子（図示せず）が、ポンピングに必要な電流を供給する。
【００２５】
引き続き図１を参照して、半導体ジグザグ光増幅器１０の構築についてここで記述する。図４〜８に示すレーザ１０は、同様な方式で構築することが可能である。まず、材料の層を適切な基板１４の上に配置する、または成長させる。次いで、適切な構築技術によって、モノリシック構造を形成する。モノリシック構造は、基板１４と、活性領域１１と、第１クラッディング層１２と、第２クラッディング層１３と、存在すれば屈折率識別層２１（図４）と、１つまたは複数の傾斜ファセット３０、３１（図３）とを含む。傾斜ファセットは、面セグメントの形状を有することが可能であり、基板１４の上に形成されたモノリシック構造から材料を除去することができる劈開、エッチング、イオンミリング、または他の半導体プロセスによって形成することが可能である。適切な製造方法には、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、選択領域ＭＯＣＶＤ（ＳＡ−ＭＯＣＶＤ）、または分子ビームエピタクシ（ＭＢＥ）によるものが含まれるが、これに限定されるものではない。傾斜ファセット３０、３１（図３）は、既知のＤＯＥ製造技術により回折光学要素（ＤＯＥ）として形成することも可能である。ＤＯＥに関する一般的な背景および関連する製造方法については、内容が参照によって本明細書に組み込まれている、Ｓｔｅｆａｎ  ＳｉｎｚｉｎｇｅｒおよびＪｕｒｇｅｎ  ＪａｈｎｓのＭｉｃｒｏｏｐｔｉｃｓ、ｃｈ．５（１９９９）を参照されたい。
【００２６】
図面には示されていないが、記述するすべての実施形態と共に、活性領域１１を励起する手段が使用される。この手段は、分布の反転を生成し、それにより、放射の刺激放出によって光の増幅が創出される。このポンピング手段は、電子的、すなわち、活性領域１１を通して電流を供給する電気接触子に印加された電圧であることが好ましい。電子ポンピングを使用したとき、いくつかの既知の技術のいずれかによって、図２に示すように、適切な電気接触子２５を半導体ジグザグレーザ１０上に製造する、またはそれに接続することが可能である。電気接触子２５によって供給されるバイアスは、直流または交流とすることが可能である。電子ポンピングが好ましいが、たとえばフラッシュランプまたはレーザダイオードによる光学ポンピング手段による活性領域１１の光学ポンピングも、本発明の範囲内にある。
【００２７】
半導体ジグザグレーザおよび光増幅器の光結合の多くの手段は、本発明の範囲内にあり、プリズム結合および消散波結合を含むが、これに限定されるものではない。消散波結合では、ジグザグ構造（「第１構造」）を含むことが可能である第１レンズ、プリズム、または他の導波路構造が、第２レンズ、プリズム、または他の導波構（「第２構造」）から数波長または波長の断片の範囲内に配置され、それにより、２つの構造間にギャップが創出される。第１構造内の電磁場は、第２構造に結合され、消散場すなわち消散波結合によってギャップと交差する。消散波結合を使用して、図７に示し、かつ以下でより詳細に記述するように、半導体ジグザグレーザ１０の出力ビーム１を変調することが可能である。
【００２８】
引き続き図１を参照すると、入力プリズム１５ａおよび出力プリズム１５ｂは、性能を向上させるために、反射防止膜でコーティングすることが可能である。プリズムを光結合に使用するとき、プリズムの材料は、プリズムが結合される層の材料の屈折率に厳密に整合するように選択される。プリズムを光結合に使用するとき、プリズム１５ａ、１５ｂは、クラッディング層１２、１３の一方または両方と接触して配置されて、構造１８における損失を最小限に抑えるようにすることが好ましい。構造１８は、第１クラッディング層１２と第２クラッディング層１３との間に位置する半導体活性領域１１と、ジグザグ光学軸を介して光通信している第１ファセット３０および第２ファセット３１とを含む。
【００２９】
図２には、光増幅器１０の他の実施形態が示されている。第１電気接触子２５が、既知の技術により、基板１４と接触して形成される。活性領域１１と、第１クラッディング層１２と、第２クラッディング層１３と、基板１４とは、図１の実施形態に関して上記で記述したように構築される。しかし、図２に示すように、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）で作成された保護層１９を、低温ＭＯＣＶＤなどの既知の技術により、第２クラッディング層１３の上に付着させることが可能である。保護層１９は、第２クラッディング層１３に対する損傷を防止し、インジウムリン（ＩｎＰ）を含む合金システムを使用する本発明の実施形態では好ましい。半導体の製造において使用される材料のいずれかを使用することが可能であり、その例には二酸化ケイ素および窒化ケイ素（ＳｉＮx）が含まれるが、これに限定されるものではない。保護層１９は、第２電気接触子１６のために第２クラッディング層１３を暴露させるようにパターン化される。フォトレジスト層を保護層１９のパターンに加えることが可能である。第２電気接触子１６の製造を完成するために、ＲＦスパッタリングまたはＤＣマグネトロンスパッタリングなどの既知の技術により、導体材料を付着させることが可能である。インジウムリン（ＩｎＰ）基板を有する実施形態を含めてある実施形態では、第２保護層（図示せず）をも使用することが有利である可能性がある。
【００３０】
図３を参照すると、傾斜ファセット３０、３１が光増幅器１０に形成され、かつプリズムがアウト結合に使用されない光増幅器１０が示されている。光増幅器１０は、第１傾斜ファセット３０および第２傾斜ファセット３１を有して形成される。好ましい実施形態では、第１傾斜ファセット３０および第２傾斜ファセット３１は、劈開によって形成される。また、図３には、増幅自然放出断絶（「ＡＳＥ断絶」）１７も示されている。これは、活性領域１１における領域であり、低減された増幅特性を有し、かつ光増幅器１０の製造中に形成される。これらのＡＳＥ断絶１７は、電磁場がゼロの振幅を有する活性領域１１の領域における増幅自然放出を防止する、または弱めるために、活性領域１１に存在することが可能である。ゼロの振幅は、光増幅器１０の縦軸に対して横方向の電磁場に定常波が存在することにより生じる可能性がある。このように実施することにより、光増幅器１０の効率が増大する。図３では、ジグザグ構造１８は、境界面１２ａおよび１３ａによって画定される。
【００３１】
ここで図４を参照すると、本発明の実施形態による信号生成装置１０の側面図が示されている。屈折率識別層２１が、第１クラッディング層１２と基板１４との間に示されている。上記でより詳細に説明したように、屈折率識別層２１は、ジグザグ構造１８とジグザグ構造１８の外部の領域との屈折率の差を変更し、それによりＴＩＲ臨界角度を変更することによって、レーザ１０の特定の実施形態の設計プロセスを容易にすることが可能である。図示したように、出力ビーム１は、劈開ファセット３１を通って伝播する。他の実施形態では、出力手段として、プリズムまたは他の適切な光学構成要素をファセット３１の代用とすることが可能である。図４では、光共振器２０は、部分反射率コーティングを有し、かつ第１ミラーとして作用する傾斜ファセット３１と、第２クラッディング／空気境界面１３ａの部分と共にルーフプリズムまたは第２ミラーとして作用する劈開端部ファセット３５とによって画定される。ジグザグ構造１８は、面１２ａおよび１３ａによって画定される。
【００３２】
さらに図４を参照すると、屈折率識別層２１は、屈折率すなわち屈折率識別のステップを提供し、これにより、屈折率識別層／クラッディング層境界面におけるＴＩＲの所望の角度を容易にすることが可能である。この境界面におけるＴＩＲの角度は、必ずしも、外部クラッディング層／空気または保護層境界面の角度と同一とは限らない可能性がある。ＴＩＲの角度が同一ではない場合、信号生成装置１０は、ある程度非対称平面導波管として作用する。屈折率識別層２１の材料は、本明細書において記述する半導体の材料または他の半導体ではない材料とすることが可能である。半導体ジグザグレーザ１０は、ビームの横方向閉込めに役立つように、当技術分野において既知の有利な導波路（図示せず）を含むことが可能である。そのような導波路は、被覆メサ埋込みヘテロ構造を含めて埋込み導波路を含むが、これに限定されるものではない。以上は事実であるが、半導体ジグザグレーザが多重横モードを有するように、やはり本発明の範囲内にあり、この場合、ＷＤＭ光学システムおよび時間分割多重化（「ＴＤＭ」）光学システムの両方について、多重出力チャネルを実現することができる。
【００３３】
ジグザグ構造と、具体的には屈折率識別層であるその外部の領域との屈折率の差の最小値は、ジグザグ構造の利用可能な長さを考慮に入れることによって計算することが可能であり、この長さは、製造プロセスおよび構築プロセスと、ジグザグ構造内におけるビームの反射または「はね返り」の所望の数と、結果的なＴＩＲ臨界角度とに依存する可能性がある。ＴＩＲ臨界角θcは、以下の式から決定することが可能である。
【００３４】
［１］  θc＝ｓｉｎ-1（ｎ2／ｎ1）
上式で、ｎ1は、境界付近のジグザグ構造の屈折率であり、ｎ2は、ジグザグ構造のすぐ外側の屈折率である。ジグザグ構造の長さは、ジグザグ光学軸に沿った望ましい数のはね返りと関連する臨界角θcと、ジグザグ構造の高さとを考慮に入れることによって設計することが可能である。θcは、ビームがジグザグ構造の内部に包含される臨界角を確定する。好ましい実施形態では、はね返りの数は、４と１００との間であり、ジグザグ構造の高さは、１００ミクロンの程度である。
【００３５】
ここで図４〜６を参照すると、活性領域１１は、１つまたは複数のモード利得断絶領域またはＡＳＥ断絶１７をも含むことが可能である。以前に記述したように、これらのＡＳＥ断絶１７は、存在するとき、電磁場が１つまたは複数の所望の周波数においてゼロの振幅を有する活性領域１１の部分における自然放出を低減することによって、半導体ジグザグレーザ１０の効率を増大させるのに役立つ。これらのＡＳＥ断絶１７は、ジグザグ構造１８または光共振器２０の縦方向モードにおけるレージングを防止または弱めるのに役立つ可能性もある。当技術分野で既知のさまざまな技術を使用して、活性領域１１においてＡＳＥ断絶１７を実施することが可能である。そのような技術には、活性領域１１の選択領域のエッチング、活性領域１１の選択領域の酸化、および活性領域１１の選択領域の光子ボンバードメントが含まれるが、これに限定されるものではない。一般に、処理のために選択される領域は、活性領域１１の縦軸またはエピタキシャル軸または主軸に対して横方向のストリップである。ＡＳＥ断絶１７は、半導体ジグザグレーザ１０の動作モードを選択するように、他の配向で製造することが有利である可能性がある。
【００３６】
ここで図５を参照すると、図４と同様の信号生成装置１０が、光結合の代替構成で示されている。プリズム３２に結合された最大反射器３３は、信号生成装置１０の一端に結合され、一方、他端では、部分反射率出力結合器プリズム３４が、信号生成装置１０に結合される。
図６には、信号生成装置１０の光結合の代替構成が示されている。コーナキューブプリズム３５が、信号生成装置１０の一端に結合されて示されており、一方、他端では、部分反射率出力結合装置プリズム３４が、信号生成装置１０に結合される。
【００３７】
図７を参照すると、圧電要素２８が、信号生成装置１０に比較的接近して、すなわち波長の断片の範囲内に配置されたプリズム５５に接続される好ましい実施形態が示されている。圧電要素２８は、印加された変調電圧に応答して形状を変化させ、それにより、プリズム５５を消散波結合により信号生成装置１０に存在する電場に結合する。この結合は、光共振器２０内に貯蔵されたエネルギーをどの程度迅速に失うかに影響を与え、光共振器２０の質Ｑと呼ぶことがある。消散波結合は、出力ビーム１を効果的に「遮断する」、すなわち、２進オン−オフ方式で出力ビーム１を変調する。このようにして、信号生成装置１０の出力ビーム１は、変調電圧を圧電要素２８に印加することによって、Ｑ切り替えされるなど、変調される。これの１つの利点は、出力ビーム１を変調するために、図７に示すビーム経路においてポッケルスセル、カーセルなどの光学要素を必要とせず、したがって、ビーム１の変調が、光学要素の透過特性によって妨害されないことである。その結果、半導体ジグザグレーザでのビーム変調は、比較的迅速である可能性がある。半導体ジグザグレーザ１０が信号生成装置または光増幅器として使用されるかに関わらず、圧電要素２８または他の変調手段を使用することが可能である。
【００３８】
半導体ジグザグレーザ１０の出力ビーム１は、当然、カーセル、ポッケルスセル、およびマッハ−ツェンダー干渉計などであるがこれに限定されない他の信号変調装置に結合して、それによって変調することができる。マッハ−ツェンダー干渉計などのさまざまなタイプの信号変調装置は、半導体ジグザグレーザ１０と同じ基板１４の上に集積することが可能である。本明細書における「変調」という言及は、振幅、強度、偏光、位相、および周波数などを含む光信号のあらゆる特性の変調を含む。
【００３９】
図８は、銅から作成することが可能である冷却スラブ４０の上に取り付けられた３つの信号生成装置１０を示す。冷却スラブ４０を含むこの構成は、信号生成装置１０の動作により構築された熱を効果的に散逸させる。伝熱を実施するために、当技術分野で既知の他の熱散逸手段を使用することもできる。
本発明の他の実施形態は、複数の活性領域を有するジグザグ構造を含む。複数活性領域は、互いに、また基板の面に関して、平行に層状化することが可能である。レーザビームがジグザグ構造の境界面またはＴＩＲ面において反射されたとき、定常波が生成される可能性がある。これらの定常波は、光の異なる波長について異なる位置に存在する。複数活性領域は、異なる波長の信号を効率的に増幅するために、ジグザグ構造の異なる高さにおいて、より具体的にはジグザグ構造を横切る異なる距離において、配置／製造することができる。複数活性領域は、好ましい実施形態では、それぞれ、異なる直接ギャップ半導体材料で作成することが可能である。このようにして、本発明のさまざまな実施形態は、単一の光ファイバによってそれぞれ波長が異なる複数の搬送波信号を有する信号を搬送する波長分割多重化（ＷＤＭ）システムおよび高密度波長分割多重化（ＤＷＤＭ）システムにおいて使用するのによく適している。
【００４０】
本発明の他の特徴により、ＷＤＭシステムにおいて使用するのにさらによく適するようになる。これらの特徴は、ジグザグ構造内においてジグザグビーム経路を含む。光学材料の屈折率が、とりわけ波長の関数であるので、異なる波長の光子は、異なる反射角を有し、したがって、材料内において異なる経路を有する。その結果、本発明による装置は、異なる波長の光信号を分散させるように作用することが可能である。したがって、本発明の光学増幅器は、それを複数の出力面を有する出力プリズム、または上に形成された回折格子を有するプリズムに結合することによって、ＷＤＭシステムのマルチプレクサまたはデマルチプレクサとして特によく適している。同様に、１つまたは複数の回折格子を、プリズムが光結合には使用されていない、利得領域の傾斜面の上にパターン化することが可能である。光増幅器を使用するＷＤＭシステムの個々の波長チャネルで実現される分散の量は、その例を本明細書において記述しており、ジグザグ構造の長さ、または結合に使用されるプリズムの寸法あるいは角度、あるいはその両方の組合せによって選択することが可能である。
【００４１】
本発明の実施形態によるデマルチプレクサは、ジグザグ構造と光通信している光ファイバなどの光入力チャネルと、ジグザグ構造と光通信している光ファイバなどの複数の光出力チャネルとを含むことが可能である。本発明によるマルチプレクサは、ジグザグ構造と光通信している光ファイバなどの複数の光入力チャネルと、ジグザグ構造と光通信している光ファイバなどの光出力チャネルとを含むことが可能である。本発明のマルチプレクサまたはデマルチプレクサの実施形態は、信号を多重化または逆多重化する際に、光信号を増幅することができるという利点を提供する。
【００４２】
本発明の実施形態は、ビームのサイズが、レージング媒質の高さとはほぼ無関係である半導体ジグザグ構造設計によって、高度なスケーラビリティおよび高度な集積可能性の特徴を提供する。ジグザグ構造内では、光は、鋸歯またはジグザグ経路の光学軸に沿って進行する。ジグザグ経路は、ジグザグ構造の材料と、そのすぐ外側の材料または領域との屈折率の差の結果である。この屈折率の差により、全内部反射（ＴＩＲ）が生成され、このために、複雑なまたはコストのかかる帰還構造は必要ではない。ジグザグ構造は、光がジグザグ構造を出る、またはジグザグ構造に入る、あるいは入ることと出ることとの両方を可能にする１つまたは複数の傾斜ファセットと光通信している。ミラーが、光学軸の対向端部かつジグザグ構造の外部に配置されたとき、共振器と、したがってレーザとが実現される。半導体レーザおよび光増幅器は、有益なアスペクト比を有する出力ビームを提供し、これにより、光ファイバへの結合を改善することが可能になる。活性領域の材料を適切に選択し、かつジグザグ構造の寸法を適切に選択することによって、所望の光波長の光子を放出するように、半導体ジグザグレーザを設計することができる。
【００４３】
本発明の範囲内において、当然、以上に関する変更を実施することができる。たとえば、本発明の装置は、より高度な利得を生成するように、より長くスケーリングすることができる。ある実施形態では、活性領域は、基板の上に直接成長させることが可能であり、この場合、基板自体を第１クラッディング層の代用とすることが可能である。他の実施形態では、電気接触子を、ジグザグ半導体レーザの端部など、半導体ジグザグレーザ上の異なる位置に配置することができる。電気接触子の位置決めが、活性領域を流れる電流に備える限り、電気接触子について多くの位置が可能である。
【００４４】
他の例として、本発明は、長距離光ファイバネットワークの光再生成装置においてなど、エルビウムドープファイバ増幅器が現在使用されている状況において、置き換わるものとして役立つ可能性もある。
以上の記述は、例示であり、本発明の範囲に関する限定ではないことが理解されるであろう。本発明の範囲から逸脱せずに、多くの修正および変更を実施することができることがさらに理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態による、反射防止膜を有するプリズム結合を使用する光増幅器の側面図かつ断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による、反射防止膜を有するプリズム結合を使用する光増幅器の側面図かつ断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態による、劈開ファセット結合を有する光増幅器の断面図である。
【図４】最大反射器ミラーを一端に有し、部分反射率出力結合器を他端に有する信号生成装置の断面図である。
【図５】本発明の代替実施形態による、最大反射器ミラーと併用されるプリズム結合を有する信号生成装置の断面図である。
【図６】本発明の代替実施形態による、コーナキューブプリズムおよびプリズムアウト結合を有する信号生成装置を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態による、信号生成装置と、信号生成装置の出力を変調するために使用される圧電装置とを有する変調システムを示す図である。
【図８】本発明の一実施形態による、３つの信号生成装置を冷却する冷却システムを示す図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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