(57)【要約】第１及び／又は第２ミラーの内部、又は、これらに隣接して、或いは、利得領域と、ミラーの中の少なくとも１つの間に位置するスペーサ領域の内部に形成されたフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）領域を備える垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）。このＰＢＧ領域は、生成された光がこの領域を伝播することを実質的に妨げる予め定められた周期性を備えており、生成光がアパーチャを通じて伝播することを許容するべく周期性を有していない光アパーチャを定義している。ＰＢＧ領域は、利得領域を貫通して延長してはおらず、この結果、利得領域をフルに使用可能である。損失を伴わずに特定モードのレーザ動作を抑圧又は防止することにより、レーザ動作の効率が制御されており、正確に表現するならば、それらのモードが禁止されている。これらの禁止モードのエネルギーは、最終的に許容モードに結合される。エネルギー損失を伴わずに、利得領域の狭窄とモード制御の分離が提供されている。
2004521499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直共振器面発光レーザであって、
光を生成し、前記生成した光を放出するべく適合された利得領域を備える半導体材料層と、
前記利得領域と、前記利得領域と第１及び／又は第２ミラーとの間に位置する少なくとも１つのスペーサ層と、を有するレーザ共振器を形成する前記第１及び第２の少なくとも実質的に平行なミラーであって、前記ミラーの少なくとも１つは、前記利得領域内で生成された光が前記少なくとも１つのミラーを通じて放出されるのを許容するべく、前記生成光に対して部分的に透明であり、前記レーザ共振器と前記利得領域は、前記生成光の少なくとも１つの横電磁モードをサポートする第１及び第２の少なくとも実質的に平行なミラーと、
前記第１及び／又は前記第２ミラーの内部又は、これらに隣接して、或いは前記少なくとも１つのスペーサ層の中の１つの内部に形成されたフォトニックバンドギャップ領域であって、前記フォトニックバンドギャップ領域は、前記第１及び第２ミラーに対して少なくとも実質的に平行に位置しており、前記フォトニックバンドギャップ領域は、前記生成光が前記領域内を伝播することを実質的に妨げる予め定められた周期性を備えており、更に、前記フォトニックバンドギャップ領域は、前記生成光が光アパーチャを通じて伝播することを許容するべく、前記予め定められた周期性を有していない光アパーチャを定義しており、前記フォトニックバンドギャップ領域と前記光アパーチャの寸法は、それぞれの横電磁モードのレーザ動作の効率を少なくとも部分的に制御するべく適合されており、前記第１及び第２ミラーに実質的に垂直の方向の前記フォトニックバンドギャップ領域の寸法は、前記方向の前記垂直共振器面発光レーザの全体寸法よりも大幅に小さいフォトニックバンドギャップ領域と、を有する垂直共振器面発光レーザ。
【請求項２】
前記フォトニックバンドギャップ領域は、前記利得領域と交差しないように位置している請求項１記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項３】
前記レーザ共振器と前記利得領域は、前記生成光の複数の横モードをサポートし、それぞれの横電磁モードは、前記フォトニックバンドギャップ領域における横成分ｋτを備える波動ベクトルｋの分布によって定義可能であり、前記フォトニックバンドギャップ領域と前記光アパーチャの寸法は、前記光アパーチャの内部に位置する横成分ｋτと前記フォトニックバンドギャップ領域の内部に位置する横成分ｋτ間の比率を制御することにより、それぞれの横電磁モードのレーザ動作を制御する請求項１又は請求項２記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項４】
前記光アパーチャの内部に位置する横成分ｋτと前記フォトニックバンドギャップ領域の内部に位置する横成分ｋτ間の前記比率は、高い比率を備えるモードに比べ、低い比率を備えるモードのレーザ動作を抑圧又は防止するべく、横電磁モードのレーザ動作の抑圧又は防止を決定する請求項３記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項５】
前記フォトニックバンドギャップ領域と前記光アパーチャの寸法は、前記共振器の基本横電磁モード（ＴＥＭ00）のレーザ動作に比べ、高次の横電磁モードのレーザ動作を低下させるべく適合されている請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項６】
前記半導体材料の予め定められた領域に電流を供給する電流供給手段を更に有しており、前記予め定められた領域は、前記利得領域を定義し、前記予め定められた領域は、前記第１及び第２ミラーに少なくとも実質的に平行な面内で前記共振器の２つ又はそれ以上の横電磁モードと実質的なオーバーラップを備えていることによって特徴付けられている請求項１乃至請求項５のいずれか一項記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項７】
前記半導体材料の予め定められた領域に光ポンピングを提供する光ポンピング手段を更に有しており、前記予め定められた領域は、前記利得領域を定義し、前記予め定められた領域は、前記第１及び第２ミラーに少なくとも実質的に平行な面内で前記共振器の２つ又はそれ以上の横電磁モードと実質的なオーバーラップを備えていることによって特徴付けられている請求項１乃至請求項５のいずれか一項記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項８】
前記第１及び第２平行ミラーは、分布ブラッグ反射器である請求項１乃至請求項７のいずれか一項記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項９】
前記光アパーチャは、３回又はそれ以上の対称性を備えている請求項１乃至請求項８のいずれか一項記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項１０】
前記光アパーチャは、延長されており、第１軸に沿う寸法αと、前記第１軸に垂直の第２軸に沿う寸法βを備えており（ここで、β＜αである）、前記フォトニックバンドギャップ領域と前記細長い光アパーチャの寸法は、それぞれの横電磁モードのレーザ動作の効率を少なくとも部分的に制御し、前記第１軸に少なくとも実質的に平行に偏光されていない横電磁モードのレーザ動作を抑圧又は防止するべく適合されている請求項１乃至請求項９のいずれか一項記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項１１】
前記細長い光アパーチャは、２回の対称性を備えている請求項１０記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項１２】
前記フォトニックバンドギャップ領域は、前記生成光が前記領域内を伝播することを実質的に妨げる周期性を備える散乱中心からなる周期的な格子によって形成されており、前記散乱中心は、前記第１軸に沿って延長されており、前記散乱中心の延長は、前記第１軸に対して少なくとも実質的に平行に偏光されていない横電気モードのレーザ動作を抑圧又は予防するべく適合されている請求項１乃至請求項１１のいずれか一項記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項１３】
前記垂直共振器面発光レーザは、前記予め定められた周期性を有していない領域であって２つ又はそれ以上の「結合レーザ共振器」を形成する２つ又はそれ以上の分離された光アパーチャを有しており、前記フォトニックバンドギャップ領域と前記２つ又はそれ以上の光アパーチャの寸法は、それぞれのレーザ共振器内の横電磁モードのレーザ動作の効率を少なくとも部分的に制御するべく適合されており、この結果、垂直共振器面発光レーザのフェーズドアレイを形成している請求項１乃至請求項１２のいずれか一項記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項１４】
前記光アパーチャの寸法と位置は、前記レーザから離れたところで前記放出光を集束させるべく適合されている請求項１３記載の垂直共振器面発光レーザ。
【請求項１５】
横電磁モードの制御機能を有する垂直共振器面発光レーザを製造する方法であって、
基板を提供する段階と、
前記基板上に、分布ブラッグ反射器の第１平行積層を形成する段階と、
前記第１平行積層上に、活性層とスペーサ層を形成する段階と、
前記活性層及びスペーサ層上に、分布ブラッグ反射器の第２平行積層を形成する段階と、
前記第１及び／又は第２平行積層の中の１つ又は複数の層、或いは前記スペーサ層の誘電率に周期的な変化を形成することにより、前記第１及び／又は前記第２平行積層の内部、又は、これらに隣接して、或いは前記スペーサ層の内部にフォトニックバンドギャップ領域を形成する段階であって、前記フォトニックバンドギャップ領域は、前記横電磁モードを制御する光アパーチャの境界を定めるべく形成されており、前記光アパーチャは、前記誘電率の周期的な変化を有していない前記フォトニックバンドギャップ領域内の領域によって形成されている段階と、を有する方法。
【請求項１６】
前記誘電率の周期的な変化は、前記第１及び／又は前記第２平行積層内に、孔からなる周期的な格子を形成することによって形成される請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記誘電率の周期的な変化は、前記第２積層上の周期的な格子内に金属パッドを蒸着することによって形成される請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記光アパーチャは、３回又はそれ以上の対称性を備えている請求項１５乃至請求項１７のいずれか一項記載の方法。
【請求項１９】
前記光アパーチャは、正多角形の形状を少なくとも実質的に備えている請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記光アパーチャは、２回の対称性を備え、前記モードの偏光軸を定義する第１軸に沿って延長されている請求項１５乃至請求項１７のいずれか一項記載の方法。
【請求項２１】
前記活性層内に利得領域を定義する電流アパーチャを形成する段階と、
前記活性層に電流を供給する電荷注入手段を形成する段階と、を更に有する請求項１５乃至請求項２０のいずれか一項記載の方法。
【請求項２２】
前記第１平行積層は、波長λpの放射に対して少なくとも実質的に透明な材料で形成されており、前記活性層は、波長λpの放射を少なくとも実質的に吸収する請求項１５乃至請求項２０のいずれか一項記載の方法。
【請求項２３】
前記フォトニックバンドギャップ領域を形成する段階は、横電磁モードの個別の制御機能を有する結合された垂直共振器面発光レーザのアレイを形成するために、２つ又はそれ以上の光アパーチャの境界を定めるべく前記フォトニックバンドギャップ領域を形成する段階を有している請求項１５乃至請求項２２のいずれか一項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器面発光レーザに関し、更に詳しくは、光アパーチャを備えたフォトニックバンドギャップ構造を使用する横レーザモードの制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザから放出される光放射は、様々な空間分布を備えている。レーザが放出する光放射に基本横モードのみが含まれている場合には、放射は、中心部が最も強く端部が弱いガウシアン分布断面を有する狭いレーザビームとなる。対照的に、高次の横モードを備えるレーザ放射の場合には、放射の断面に明るいスポットと暗いスポットが表れる。これらの横電磁モードは、従来、ＴＥＭ00、ＴＥＭ01、ＴＥＭ10、ＴＥＭ11などと表記されており、ＴＥＭ00が基本横モードであって、その他のものは高次横モードである。
【０００３】
高次の横モードを有する放射は、光ファイバへの結合と自由空間ビーム形成のための集束が困難であるため、通常、望ましくない。又、高次横モード放射は、基本横モード放射に比べ、光ファイバの伝播速度が多少低く、この結果、モード分散が発生する、即ち、光ファイバを伝播する際に光パルスが広がってしまう。
【０００４】
垂直共振器面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）は、レーザを形成する基板に対して平行なミラーで形成された光共振器を備える半導体レーザである。従って、ＶＣＳＥＬの光共振器は基板に対して垂直であって、光の放射は、基板に対して垂直の方向にＶＣＳＥＬから放出される。通常、ＶＣＳＥＬは層構造をなしており、共振器ミラーは、活性半導体層の周りの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の積層として形成される。
【０００５】
ＶＣＳＥＬは、従来のエッジ発光半導体レーザと比べ、様々な利点を備えている。例えば、ＶＣＳＥＬは、極めて小さく製造可能であり、多数のＶＣＳＥＬを格納するアレイとして製造可能であり、製造の初期段階で試験（オンウエハ試験）可能であり、これは、ＶＣＳＥＬの低価格生産における重要なパラメータであり、同一価格帯のレーザと比べ、非常に高速の変調に対応可能である。
【０００６】
ＤＢＲは、構造の残りの部分と共にエピタキシャル成長させるか、或いは後工程で蒸着する。前者の場合には、ミラーは半導体材料で製造され、後者の場合には、ミラーは誘電体から製造される。ＶＣＳＥＬの利得媒体は、活性層に電流を供給することによって形成する。通常、サイズがマイクロメートルレベルの小さな電流アパーチャを活性層の近傍に設け、利得領域の横方向の広がりを定義する。活性層に対する電流注入は、ミラーを半導体材料で製造する場合には、半導体材料に不純物を適切に添加することにより、ミラーを通じて実行することができる。誘電体ミラーの場合には、電流を伝えることができないため、電気的な接点により、活性層に横から電荷注入する。
【０００７】
電流アパーチャは、利得領域の横方向の広がりとレーザの横モードレージングの両方を制御している。ＶＣＳＥＬ設計における重要な課題の１つが、注入した電荷を横方向に濃縮し、共振器損失を克服してレージングを実現するのに十分な利得を提供するこの電流アパーチャに関連している。電流アパーチャの横方向の寸法は、レージングモードに効率的に結合可能なパワー量をも決定し、この結果、最終的にレーザから得られる出力パワーが決定される。妥当なパワー出力を得るために、しばしば、横モードの横断寸法に比べ、大きな電流アパーチャを備えることが必要となる。この結果、それらのＶＣＳＥＬにおいては、数ｍＷの中規模のパワーで、既に複数の横モードレージングが始まることになる。直径が１０μｍを上回る電流アパーチャを有する通常の円形ＶＣＳＥＬの場合には、ＴＥＭ00モードの放射を放出するのは低電流においてのみであって、これより大きな電流では、高次の横モードレージングとなる。
【０００８】
米国特許５，３１７，５８７号明細書は、ＶＣＳＥＬの製造方法に関するものである。この方法は、透明な金属接点とメサ形状の領域に加え、誘電体による電流狭窄を使用し、注入電流の分布と光モードを別個に制御している。
【０００９】
又、ＶＣＳＥＬは、通常、偏光方向が無制御の放射を放出する。多くのアプリケーション（例：光磁気ディスク、光通信アプリケーションなど）においては、予め定められた偏光方向を備えるレーザが非常に望ましい。更には、ＶＣＳＥＬアレイ内の隣接するＶＣＳＥＬは、互いに自由結合する傾向を有している。場合によっては、この結果、望ましくないビーム断面が生成されることになる。
【００１０】
米国特許５，４１２，６８０号明細書は、好ましい導電方向を有する延伸（Ｓｔｒａｉｎｅｄ）半導体層を使用することにより、ＶＣＳＥＬの偏光とレージングモードを制御する方法を提供している。
【００１１】
特開平１０−２８４８０６号公報及び特開平１１−１８６６５７号公報は、共振器ミラーと平行な面内に二次元フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を有するＶＣＳＥＬを提供している。共振器損失を減少させるべく、ＰＢＧ構造により、利得領域からの自然放出を制限している。
【００１２】
アーチャック（Ｅｒｃｈａｋ）他による記事「半導体発光ダイオードにおける二次元フォトニック結晶による垂直放射への改善された結合（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｔｏ  ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｉｎ  ａ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）」（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００１年、７８号、５６３頁）においては、発光ダイオードの表面にＰＢＧ構造を使用し、光の抽出効率を最大６倍に向上させる方法について説明している。
【００１３】
Ｗ．  Ｄ．  チョウ（Ｗ．Ｄ．  Ｚｈｏｕ）他は、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ（２０００年、第３６巻、第２８号、１５４１頁）において、面放出光デバイスに伴う実験について説明している。このデバイスは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系から製造され、ｎ型の底部分布ブラッグミラー、光利得用の２つの埋め込み型ＩｎＧａＡｓ量子井戸を有する不純物が添加されていないラムダ共振器、及びｐ型の上部層から構成されている。構造は、上部ｐ型層、埋め込み型の利得材料を有するラムダ共振器、および底部ブラッグミラーの一部を貫通する孔の規則的なアレイから構成されている。そのエッチングの深さは、合計で０．８ミクロンである。この規則的な構造は、フォトニックバンドギャップ効果を得ると共に、これらの孔の１つを省略することによって定義される欠陥を備えることを目的としている。この構造は、欠陥を含む領域内に濃縮した光放出を維持することにより、欠陥によって定義されたモードでレージングしている。デバイスからの最大出力パワーは１４．４μＷと報告されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
この構造の場合には、フィールドとの十分なオーバーラップを得るために、上部及び利得領域を貫通してエッチングすることが必要である。この利得材料を貫通するエッチング要件により、欠陥領域内の利得材料の合計領域が制限され、この結果、生成される出力パワーが減少する。著者らは、１４．４μＷを実現しているが、実際に有用なものにするためには、少なくとも更に２桁程度大きなレベルのパワーが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
電流狭窄とモード制御を分離することにより、例えば、単一モード動作の形態で、大幅に向上したパワー出力と優れたビーム特性を有するＶＣＳＥＬを実現することができる。従来技術では、このような分離は、単純に高次モードに対して大きな損失を導入することによって、例えば、基本モードに比べ、低い反射率を高次モードに提供することによって、実行されてきた。しかしながら、エネルギーはモード間で結合可能であることから、この方法では、結果的に大きなエネルギー損失を引き起こし、低効率と低パワー出力を招くことになる。本発明は、これらの従来技術の欠点を伴うことなしに、利得領域の狭窄とモード制御の分離を提供している。
【００１６】
第１の態様において、本発明は、光を生成し、この生成した光を放出するべく適合された利得領域を備える半導体材料層と；利得領域と、この利得領域と第１及び／又は第２ミラー間に位置する少なくとも１つのスペーサ層と、を有するレーザ共振器を形成する前記第１及び第２の少なくとも実質的に平行なミラーであって、これらミラーの少なくとも１つは、利得領域内で生成された光がこの少なくとも１つのミラーを通じて放出されることを許容するべく生成光に対して部分的に透明であり、レーザ共振器と利得領域は、生成光について少なくとも１つの横電磁モードをサポートする第１及び第２の少なくとも実質的に平行なミラーと；前記第１及び／又は第２ミラーの内部に、又は、これらに隣接して、或いは少なくとも１つのスペーサ層の中の１つの内部に形成されたフォトニックバンドギャップ領域であって、このフォトニックバンドギャップ領域は、第１及び第２ミラーに対して少なくとも実質的に平行に位置しており、フォトニックバンドギャップ領域は、生成光がこの領域を伝播することを実質的に妨げる予め定められた周期性を備え、更に、このフォトニックバンドギャップ領域は、生成光が光アパーチャを通じて伝播することを許容するべく、予め定められた周期性を有していない光アパーチャを定義しており、フォトニックバンドギャップ領域と光アパーチャの寸法は、それぞれの横電磁モードのレーザ動作の効率を少なくとも部分的に制御するべく適合されており、第１及び第２ミラーに実質的に垂直の方向のフォトニックバンドギャップ領域の寸法は、その方向の垂直共振器面発光レーザの全体寸法よりも大幅に小さいフォトニックバンドギャップ領域と、を有している。
【００１７】
従って、本発明によれば、ＶＣＳＥＬ共振器内に、又は、これに隣接して、レージングモードを制御する光アパーチャを備えるＰＢＧ領域を提供することにより、電流狭窄とモード制御を分離している。放射の横成分が内部に伝播できない領域を提供することによってレーザ動作を抑圧又は予防することにより、それぞれのモードのレージングを制御している点が本発明の利点である。この結果、これらの領域内に実質的に延長するモードのレーザ動作が消滅することになる、或いは、存在するにしても、ごくわずかなものになる。即ち、この方法では、モードに対して大きな損失を導入することによってレージングを抑圧するのではなく、正確に表現するならば、それらのモードが禁止されているのである。別の観点から見れば、高次のモードがサイズで制限されており、この結果、それらが得るモード利得は、基本モードに比べて格段に低いものになり、従って、高次モードのレージングに比べ、基本モードのレージングが促進されるのである。ＰＢＧ領域に垂直に入射する放射は、ＰＢＧ領域内、即ち、光アパーチャの内部においてＰＢＧ領域の影響を受けず、従って、ＰＢＧ領域による損失を被ることなく、通常どおりに、ミラーによって反射される。
【００１８】
従って、利得領域をフルに使用しているため、本発明によれば、十分なパワーが提供され、ＶＣＳＥＬが実用的なものになる。これは本発明の大きな利点である。一方、Ｗ．  Ｄ．  チョウ他による記事（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２０００年、第３６巻、第２８号、１５４１頁）の場合には、利得領域のごく一部しか使用しておらず、この結果、出力の観点で非実用的なレベルにまでパワーが減少している。
【００１９】
スペーサ層は、利得領域と、ミラーの中の１つの間に配置することができる。この代わりに、１つのスペーサ層を利得領域と第１ミラーの間に配置し、別のスペーサ層を利得領域と第２ミラーの間に配置することも可能である。或いは、この代わりに、２つ又はそれ以上のスペーサ層（例：様々な材料から製造されたもの）を利得領域と第１及び／又は第２ミラーの間に配置したり、或いは、１つ又は複数のスペーサ層をいくつかの層（例：様々な材料から製造されたもの）で構成することも可能である。
【００２０】
第１及び／又は第２ミラーの内部、又は、これらに隣接して、或いはスペーサ層の中の１つの内部にＰＢＧ領域を配置することにより、ＰＢＧ領域が利得領域の全体を貫通して延長しないようにしている。この結果、ＶＣＳＥＬから十分な出力パワーを提供するべく利得領域の全体を利用できるようになっており、これは大きな利点である。
【００２１】
ＰＢＧ領域は、利得領域とまったく交差しないように配置することが好ましい。
【００２２】
本出願における「横モード」及び「モード」という用語は、特筆しない限り、従来からＴＥＭ00、ＴＥＭ01、ＴＥＭ10、ＴＥＭ11などと表記されている横電磁モードを指している。
【００２３】
フォトニックバンドギャップ効果は、実験及び理論の両面において既に十分に立証されている。これらの効果は、材料内に一、二、又は三次元の周期的な微細構造を形成することによる一、二、又は三次元における材料の誘電率などの光学定数の周期的な変化に基づいたものである。この微細構造により、結果的に、屈折率の変化（空気孔のエッチング）及び、例えば、円形やその他の形状の金属領域を蒸着することによる、吸収係数の変化のいずれかがもたらされる。
【００２４】
レーザ共振器は、生成光について複数の横モードをサポートすることができる。本出願においては、横電磁モードは、電磁場の伝播を説明する波動ベクトルｋの分布と見なすことができる。すべての波動ベクトルｋは、ＰＢＧ領域に平行な面などの共振器の延長に対して垂直の面上に投影することができる。このような面上へのｋの投影は、波動ベクトルｋの横成分ｋτと表記され、この「横」という用語は、ｋではなく、共振器の広がりを指している。
【００２５】
それぞれの電磁モードのレーザ動作は、光アパーチャの内部に位置する横成分ｋτとフォトニックバンドギャップ領域の内部に位置する横成分ｋτ間の比率を制御することにより、好ましいことに、フォトニックバンドギャップ領域と光アパーチャの寸法によって制御される。即ち、光アパーチャの内部に位置する横成分ｋτとＰＢＧ領域の内部に位置する横成分ｋτ間の比率は、この比率が高いモードよりも低いモードのレーザ動作を抑圧又は防止するべく横電磁モードのレーザ動作の抑圧又は防止を決定するのである。このフォトニックバンドギャップ領域と光アパーチャの寸法は、共振器の基本横電磁モード（ＴＥＭ00）のレーザ動作に比べ、高次の横電磁モードのレーザ動作を抑圧又は防止するべく適合させることが好ましい。
【００２６】
ＶＣＳＥＬを電気的に駆動する場合には、ＶＣＳＥＬは、利得領域を定義するべく半導体材料の領域に電流を供給する電流供給手段を更に有することができる。この代わりに、ＶＣＳＥＬを光学的にポンピングする場合には、ＶＣＳＥＬは、利得領域を定義する領域に光ポンピングを提供する手段を有することができる。いずれの場合にも、利得領域は、第１及び第２ミラーに少なくとも実質的に平行な第２面において共振器の２つ又はそれ以上の横電磁モードと実質的にオーバーラップしているという点で特徴付けることができる。
【００２７】
従って、この電流狭窄とモード制御の分離により、モード制御機能（例：単一モード動作）を具備すると同時に、格段に大きな利得領域の実現が可能となる。モード制御がＰＢＧ領域と光アパーチャによって提供されているため、利得領域は、単一モード動作を低下させるさせることなく、複数の横モードにエネルギー的に結合可能である。従って、本発明によれば、ＰＢＧ領域が放射を吸収せず、最終的にエネルギーが基本レージングモードに結合されるため、その他のモードに結合したエネルギーが消失することはない。
【００２８】
通常、第１及び第２平行ミラーは、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であり、これらの中の１つは、入射する放射の一部を透過することによって出力カプラを形成している。本発明によるモード制御においては、ＰＢＧは、この出力結合ミラーに限定されるものではない。光アパーチャは様々なモードの波動ベクトルの横成分の許容領域を構成しており、光アパーチャは、いずれにあっても光のアパーチャとして機能する。
【００２９】
本発明によるＶＣＳＥＬの光アパーチャは、３回又はこれ以上の対称性を備えることができる。通常、光アパーチャは正多角形の形状になる。
【００３０】
光アパーチャは延長することが可能であって、第１軸に沿う寸法αと、第１軸に対して垂直の第２軸に沿う寸法βを備えることができ、ここで、β＜αである、この場合のフォトニックバンドギャップ領域と細長い光アパーチャの寸法は、それぞれの横電磁モードのレーザ動作の効率を少なくとも部分的に制御し、第１軸に少なくとも実質的に平行に偏光されていない横電気モードにおけるレーザ動作を抑圧又は防止するべく適合されている。
【００３１】
この細長い光アパーチャは、２回の対称性を備えることができる。
【００３２】
更に、フォトニックバンドギャップ領域は、生成光がこの領域内を伝播することを実質的に妨げる周期性を備えた散乱中心からなる周期的な格子によって構成可能であり、この散乱中心は第１軸にそって延長されており、この散乱中心の延長は、この場合には、第１軸に少なくとも実質的に平行に偏光されていない横電気モードのレーザ動作を抑圧又は防止するべく、適合されている。
【００３３】
この散乱中心の延長により、ＰＢＧ領域の対称性が破壊され、この結果、第１軸と平行に偏光されている電場が経験する散乱中心の散在する断面は、第１軸に対して垂直に偏光されている電場の場合と比べ、小さなものになる。経験する散乱中心の散在する断面が小さくなることにより、第１軸に平行に偏光されているモードのレージングに対する抑圧は、第１軸に対して垂直に偏光されているモードのレージングに比べ、少なくなる。
【００３４】
一実施例において、垂直共振器面発光レーザは、予め定められた周期性を有していない領域であって２つ又はそれ以上の「結合レーザ共振器」を形成する２つ又はそれ以上の分離された光アパーチャを有することが可能であり、この実施例におけるフォトニックバンドギャップ領域と２つ又はそれ以上の光アパーチャの寸法は、それぞれのレーザ共振器における横電磁モードのレーザ動作の効率を少なくとも部分的に制御するべく適合されており、この結果、垂直共振器面発光レーザのフェーズドアレイを形成している。
【００３５】
従って、本発明の一態様では、ＶＣＳＥＬのフェーズドアレイを提供可能であり、これは、光を生成し、この生成した光を放出するべく適合された利得領域を備える半導体材料本体と；利得領域と、この利得領域と第１及び／又は第２ミラーの間に位置する少なくとも１つのスペーサ層と、を有するレーザ共振器を形成する第１及び第２平行ミラーであって、これらのミラーの中の少なくとも１つは、利得領域において生成された光がこの少なくとも１つのミラーを通じて放出されることを許容するべく生成光に対して部分的に透明である第１及び第２平行ミラーと；第１及び／又は第２ミラーの内部又はこれらに隣接して、或いは少なくとも１つのスペーサ層の中の１つの内部に形成されたフォトニックバンドギャップ領域であって、このフォトニックバンドギャップ領域は、第１及び第２ミラーに対して少なくとも実質的に平行であり、フォトニックバンドギャップ領域は、生成光がこの領域を伝播することを実質的に妨げる予め定められた周期性を備え、更に、このフォトニックバンドギャップ領域は、第１又は第２ミラー内部、又は、これらに隣接する面上への利得領域の投影によって定義される領域の内部に位置する２つ又はそれ以上の分離された光アパーチャを定義しており、これらの２つ又はそれ以上の光アパーチャは、予め定められた周期性を有していない領域であって２つ又はそれ以上の「結合レーザ共振器」を形成し、フォトニックバンドギャップ領域と２つ又はそれ以上の光アパーチャの寸法は、それぞれのレーザ共振器における横電磁モードのレーザ動作の効率を少なくとも部分的に制御するべく適合されているフォトニックバンドギャップ領域と、を有している。
【００３６】
光アパーチャの寸法と位置は、レーザから離れたところで放出光が集束するように適合させることができる。このアパーチャは、遠視野の焦点を最適化するために、様々な形状に形成することができる。２つ又はそれ以上のアパーチャも、本発明の第１及び第３の態様による光アパーチャと同様であってよい。
【００３７】
第２の態様において、本発明は、横電磁モードの制御機能を有するＶＣＳＥＬを製造する方法を提供し、この方法は、基板を提供する段階と；この基板上に、分布ブラッグ反射器の第１平行積層を形成する段階と；この第１平行積層上に、活性層とスペーサ層を形成する段階と；この活性層及びスペーサ層上に、分布ブラッグ反射器の第２平行積層を形成する段階と；第１及び／又は第２平行積層の中の１つ又は複数の層、或いはスペーサ層の誘電率に周期的な変化を生成することにより、第１及び／又は第２平行積層の内部又はこれらに隣接して、或いはスペーサ層の内部にフォトニックバンドギャップ領域を形成する段階であって、このフォトニックバンドギャップ領域は、横電磁モードを制御する光アパーチャの境界を定めるべく形成されており、この光アパーチャは、誘電率の周期的な変化を有していないフォトニックバンドギャップ内の領域によって形成されている段階と；を有している。
【００３８】
この誘電率の周期的な変化は、第１及び／又は第２平行積層内に、孔からなる周期的な格子を形成することによって形成することが好ましい。この代わりに、第２積層上の周期的な格子内に半導体材料又金属性のパッドを蒸着することにより、誘電率の周期的な変化を形成することも可能である。
【００３９】
ＶＣＳＥＬの所望の特性に応じて、正多角形の形状を用いるなどにより、光アパーチャは、３回又はそれ以上の対称性を備えることができる。この代わりに、放射の偏光を制御するべく、光アパーチャは、２回の対称性を備え、モードの偏光軸を定義する第１軸に沿って延長することも可能である。この場合には、光アパーチャは、全体として、通常、長方形、どの２辺も平行ではない四辺形（ｔｒａｐｅｚｉｕｍ）、又は楕円の形状を備えることになる。
【００４０】
この方法は、活性層内に利得領域を定義する電流アパーチャを形成する段階と、活性層に電流を供給する電荷注入手段を形成する段階と、を有することが好ましい。
【００４１】
この代わりに、第１平行積層を波長λpの放射に対して少なくとも実質的に透明な材料によって形成することも可能であり、この場合の活性層は、ＶＣＳＥＬの光学的なポンピングを実現するべく、波長λpの放射を少なくとも実質的に吸収する。
【００４２】
フォトニックバンドギャップ領域を形成する段階は、横電磁モードの個別の制御機能を有する結合された垂直共振器面発光レーザのアレイを形成するために、２つ又はそれ以上の光アパーチャの境界を定めるべくフォトニックバンドギャップ領域を生成する段階を有することができる。
【００４３】
以上の本発明の第１及び第２の態様は、相互に関連している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
図１Ａに示されている本発明の好適な実施例においては、ＶＣＳＥＬレーザ１は、基板１０１上に、底部ミラー１０２、活性層１０４、上部ミラー１０５を有している。上部ミラーの内部には、散乱中心１１６からなる二次元の周期的な格子で構成されたＰＢＧ領域１１５が形成されている。このＰＢＧ領域１１５は、光アパーチャ１１８の境界を定めており、この光アパーチャは、周期的な格子内の欠陥又は欠陥領域などの散乱中心からなる周期的な格子を有していない領域である。
【００４５】
図１Ｂは、図１ＡのＶＣＳＥＬレーザの側面図であり、このレーザのレージング横モード１２１と、この横モードが結合する伝播モード１２２を示している。可能なのは、ＰＢＧ領域を保持する面内の光アパーチャ１１８の内部に存在している横モード１２１のレージングのみであるという点が重要な特徴である。ＰＢＧ領域１１５内に実質的に延長する横モードの場合には、その横成分がＰＢＧ領域１１５内を伝播できないため、レーザ動作が抑圧又は防止されることになる。この結果、この好適な実施例によるＶＣＳＥＬは、様々な横モードのレージングを制御可能である。
【００４６】
ＰＢＧ領域１１５の効果は、レーザにおける様々なモードの寸法を見ることによって示すことができる。ＰＢＧ領域１１５を保持する面内では、横モードは、この面内に位置する電場ベクトルとして表すことができる。そのモードが光アパーチャ１１８と実質的に同一のサイズ及び対称性又は形状を備える基本ＴＥＭ00モードの場合には、モードの電場ベクトルは、光アパーチャ１１８の内部に実質的に位置する。図３Ａには、これが示されている。一方、モードが高次モード（例：ＴＥＭ10）の場合には、モードの電場ベクトルは、その大きな部分がＰＢＧ領域１１５の内部に少なくとも部分的に位置することになり、この結果、そのモードの横成分は面内を伝播できず、そのモードは抑圧されることになる。図３Ｂに、これが示されている。
【００４７】
図１Ｃは、図１Ａ及び図１Ｂの実施例に類似の異なる実施例を示している。この場合には、ＰＢＧ領域１１５と光アパーチャ１１８は、放射を放出しない不透明のミラー１０２側に位置している。ＰＢＧ領域１１５と光アパーチャ１１８がレーザ共振器内の横モードのレージングを抑圧又は防止しているため、ＰＢＧ領域１１５は、出力結合ミラー１０５側に位置する必要はないのである。
【００４８】
図２Ａは、図１Ａ及び図１Ｂの好適な実施例の平面図を示している。この図には、ＰＢＧ領域１１５を形成する周期的な格子が詳細に示されている。周期的な格子１１５は、三角形の格子であるが、その他の格子も使用可能である。
【００４９】
図２Ｂ乃至図２Ｅは、本発明のいくつかの更なる好適な実施例の平面図を示している。これらの図のＶＣＳＥＬの基本構造は、図１Ａ及び図１Ｂに関連して説明した実施例と実質的に等しく、ＰＢＧ領域１１５及び／又は光アパーチャ１１８の特性のみが変更されている。示されているすべての実施例において、周期的な格子１１５は三角形であるが、その他の格子も使用可能である。
【００５０】
図２Ｂでは、光アパーチャ１２０が延長されており、この結果、ＰＢＧ領域１１５は、横モードに対し方向に応じて異なる影響を与える。ＰＢＧ領域１１５を保持する面内で、光アパーチャ１２０の延長の長さよりも実質的に小さな広がりを備える横モードも、細長い光アパーチャ１２０の側部においてはＰＢＧ領域１１５内に延長するため、空間的にカットオフされる。このＰＢＧ構造は、延長に沿うか、或いは垂直になる横モードの偏光の自然な軸を形成している。これらの２つのモードは、利得材料とのオーバーラップが異なっており、経験するモード利得の大きさが異なる。延長に沿って偏光されたモードの場合には、大きなモード利得を備えており、この偏光モードのレージングは促進されるが、垂直に偏光されたモードのレージングは抑圧される。
【００５１】
図２Ｃにおいて、散乱中心１１７が共通軸に沿って延長されており、この結果、ＰＢＧ領域１１５は非対称になっている。この延長に対して平行な方向においては、散乱中心１１７は、延長に対して垂直の方向におけるよりも小さな断面を備えている。これは、延長に対して平行な方向でモードの横成分の電場が経験する格子内の散在する断面が、延長に対して垂直の方向におけるよりも小さいことを意味している。この結果、ＰＢＧの効果は非対称になり、延長に対して垂直に偏光されたモードは、延長に対して平行に偏光されたモードに比べ、抑圧されることになる。このように、図２Ｃの非対称なＰＢＧ領域１１５は、放出された放射の偏光を制御するのである。更に、光アパーチャ１２２は、図２Ａに関連して説明した実施例と同様に、即ち、高次のモードにおけるレーザ動作を抑圧することにより、モードを制御する。
【００５２】
図２Ｄ及び図２Ｅにおいては、ＰＢＧ領域１１５は、いくつかの光アパーチャ１１８、１２４、１２５、１２６の境界を定めている。この結果、このＶＣＳＥＬは、複数の結合レーザ共振器を明確な相対位置に格納している。図２Ｄにおいては、光アパーチャ１１８は、図２Ａのものと類似しており、５つの結合レーザ共振器をサポートしている。図２Ｅにおいては、アパーチャ１２４、１２５、１２６は、３つの同心リング形状になっている。アレイの結合レーザ共振器が近接し同一の利得領域を共有しているため、これらの共振器は結合し、異なる共振器から放出される放射はコヒーレント、即ち、同位相になる。放出される放射がコヒーレントであるため、異なる共振器からの放射は、アレイから離れたところで干渉することになる。共振器の形状と相対位置により、アレイからの遠視野が決定される。図２Ｄにおける円盤形状とリング形状の光アパーチャ１２４、１２５、１２６は、これらのアパーチャの直径によって決定される距離に焦点を生成することになる。アレイから距離Ｄの遠視野に焦点を形成する光アパーチャの直径を決定するのは、厚さδと半径距離εの同心シェルの球の中心に所望の焦点を想定することによって、最も容易に実行可能である、即ち、この球はタマネギとよく似ている。即ち、平面により、この平面に対して垂直の方向における中心からこの平面までの距離がＤとなるように、この球を切断する。切断された表面は、一連の同心リングを形成することになる。最も外側のリングは、δに近い厚さを備えており、この厚さはリングの中心に向かって増加し、中心部は、円形の円盤を形成することになる。この切断表面のリング及び円盤に類似の寸法と形状を備える光アパーチャを設けることにより、遠視野が干渉し、アレイから距離Ｄのところに焦点が形成されることになる。通常、これらの光アパーチャは、完璧な円形形状を備えることができないため、結果的に生成される焦点も、通常、完璧な焦点ではない。
【００５３】
図４及び図５に示されているように、このＶＣＳＥＬは、基板１０１上にエピタキシャル成長させた積層１００を有しており、この積層１００は、底部ミラー１０２、第１スペーサ層１０３、活性層１０４、第２スペーサ層１０３、電流アパーチャ１１４、及び上部ミラー１０５又は１１０を有している。加えて、このＶＣＳＥＬには、上部接点１０８及び基板接点１０９も含まれている。この積層１００の成長、並びに様々な層の蒸着は、半導体産業において周知の標準的な方法を使用して実行可能である。
【００５４】
第１ミラー１０２は、交互に変化する異なる屈折率ｎrを備える半導体材料の層を成長させることによって形成されており、これらの層は、〜λ／ｎr４の厚さを備えている。これらの層は、高屈折率層としてはＧａＡｓから、低屈折率層としてはＧａＡｌＡｓ又はＡｌＡｓから製造可能である。活性層１０４は、第１ＤＢＲミラー１０２上でスペーサ層１０３間に挟持されている。この活性層１０４は、通常、量子井戸構造（例：ＧａＡｓ障壁層によって分離されたＩｎＧａＡｓ量子井戸層、又はＡｌＧａＡｓ障壁層によって分離されたＧａＡｓ量子井戸層）を形成するいくつかの層によって形成されている。
【００５５】
図４において、電流アパーチャ１１４は、イオン注入領域１０６によって定義されており、このイオン注入領域の半導体材料は、活性層に近接する薄膜内で準絶縁状態になっている。マスキングによって小さな領域が除外されており、注入の影響を受けていない導電性のアパーチャ１１４が残されている。
【００５６】
この代わりに、図５に示されているように、電流アパーチャ１１４は、ＶＣＳＥＬ構造内の層の中の１つを選択的に酸化し、電流アパーチャ１１４を定義する酸化領域１０７を形成することによっても定義可能である。まず、メサ構造をエッチングして側壁を露出させた後に、選択的な酸化を実行する。
【００５７】
図５における上部ミラー１０５は、異なる屈折率を備える半導体材料を使用して積層１００の残りの部分と同一のプロセス段階でエピタキシャル成長させたものであり、これらの層は、〜λ／ｎr４の厚さを備えている。これらの層に適切に不純物を添加しｎ又はｐ型半導体材料を生成することにより、接点１０８からミラー１０５を通じて電流を注入することができる。
【００５８】
この代わりに、図４に示されているように、上部ミラー１１０は、異なる屈折率を備える誘電体材料を使用して後工程で蒸着することも可能であり、これらの層は、〜λ／ｎr４の厚さを備えている。誘電体ミラーは電流を伝えることができないため、活性層への電荷注入は、ＶＣＳＥＬの上部表面上の上部ミラー１１０の周囲に形成された電極１０８から側部注入される。
【００５９】
ＶＣＳＥＬの電気接点１０８及び１０９は、金属蒸着やリフトオフ法などの半導体産業において周知の標準的なフォトリソグラフィ法によって形成可能である。ウエハ上の個別のレーザは、エピタキシャル成長した層を貫通し共通ｎ型基板までエッチングすることにより、相互に電気絶縁することができる。
【００６０】
ＶＣＳＥＬ設計における重要な課題の１つは、注入したキャリアを横方向に濃縮し、共振器損失を克服してレージングを実現するのに十分な大きさの利得を実現することに関連している。キャリアの濃縮が良好な場合には、低電流の注入でレージングが実現し、レージングのしきい値が低下する。普通、電流アパーチャ１１４は、注入したキャリアの濃縮を実現するべく、活性層の近くに設けられる。
【００６１】
従来技術によるＶＣＳＥＬの場合には、ＶＣＳＥＬの主要なモード動作も、電流アパーチャによって制御されている。電流アパーチャを小さくすることにより、高次モードのレージングが始まるパワーのしきい値に到達するまで、単一基本モード動作を得ることができる。しかしながら、電流アパーチャを小さくすれば、利得領域に供給可能なパワーが限定される。一方、電流アパーチャを大きくすれば、高次モードのレージングが低いしきい値電流で、或いは、常に始まることになる。即ち、ＶＣＳＥＬにおける電流アパーチャの寸法は、単一モードと高パワー動作の間の微細なバランスの産物なのである。ＶＣＳＥＬは、光学的にポンピングすることも可能である。この場合には、活性層とポンピングビーム間の空間的なオーバーラップによって利得領域が定義されるが、これは、結局、電流アパーチャと等価であり、このオーバーラップのサイズには、同一の考慮事項が適用されることになる。
【００６２】
本発明によれば、電流狭窄とモード制御が分離されている。電流狭窄は、従来技術と同様に電流アパーチャ、或いは、同様にポンピングビームの集束によって提供されており、モード制御は、ＰＢＧ領域と光アパーチャによって提供されている。図６及び図７は、電流アパーチャ１１４と光アパーチャ１１８の相対寸法を示す半透明の平面図を示している。
【００６３】
図６は、光アパーチャ１１８、電流アパーチャ１１４、ＰＢＧ領域１１５、及びＶＣＳＥＬ１の代表的な相対寸法を示している。図７は、これら類似の寸法と共に、光アパーチャ１１８のアレイの寸法を示している。
【００６４】
本発明によるＶＣＳＥＬレーザの代表的な寸法は、次のとおりである。
・光アパーチャ１１８の直径：０．２μｍ〜１００μｍ、例えば１μｍ〜１００μｍ、例えば５μｍ〜５０μｍ
・光アパーチャのアレイの直径：１０μｍ〜２００μｍ、例えば１０μｍ〜１００μｍ、例えば２０μｍ〜５０μｍ
・電流アパーチャの直径：ａ＝２μｍ〜２００μｍ、例えば３μｍ〜２００μｍ、例えば１０μｍ〜１００μｍ
・ＰＢＧ領域の直径：ｂ＝２μｍ〜２００μｍ、例えば１０μｍ〜２００μｍ、例えば３０μｍ〜１００μｍ
・ＶＣＳＥＬの直径：ｃ＝１０μｍ〜１０００μｍ、例えば３０μｍ〜５００μｍ、例えば５０μｍ〜１５０μｍ
【００６５】
図７から、アレイ内のすべての光アパーチャ１１８は、活性層１０４上に垂直に投影された際に、電流アパーチャ／利得領域の内部に位置するように配置することが好ましいことがわかる。
【００６６】
このＰＢＧ微細構造は、図８Ａ〜図８Ｄに関連して説明するように、いくつかの異なる方法によって、いくつかの異なる位置に形成可能である。この微細構造は、平面内における材料の誘電率の二次元の周期的な変動であり、これは、例えば、孔、空気又は誘電率が異なる別の材料が充填されたもの、をエッチングするか、又は材料の表面上に柱を形成することによる材料の屈折率の変化、及び、例えば、材料表面上に金属パッドを蒸着することによる材料の吸収係数の変化によって生成可能である。
【００６７】
図８Ａは、上部ミラー上に形成された半導体の柱１４０の形態のＰＢＧ微細構造を備えるＶＣＳＥＬの側面図を示している。柱１４０は、通常、次の段階によって形成される。
Ｉ．既存の積層を形成すると共に、蒸着又はエピタキシャル成長によって半導体材料の層を提供する段階
ＩＩ．フォトリソグラフィ段階によって柱を定義する段階
ＩＩＩ．反応イオンエッチングによって柱を形成する段階
【００６８】
図８Ｂ及び図８Ｃは、上部ミラーの内部、又はこの下にエッチングされた孔１４２の形態のＰＢＧ微細構造を備えるＶＣＳＥＬの側面図を示している。これらの孔、即ち、柱１４２のエッチングは、その深さに応じて、反応イオンエッチングによって実行可能である。変調格子は、電子ビームリソグラフィ又はＵＶリソグラフィによって定義することができる。孔の深さは、数１００ｎｍが好ましいが、その目的、即ち光モードを制御するために、有用な範囲において変化可能である。これらの孔には、屈折率が異なる材料を充填するか、或いは、空のままで残してもよい（空気を充填する）。
【００６９】
図８Ｄは、金属パッド１４４の形態のＰＢＧ微細構造を備えるＶＣＳＥＬを示している。格子内における金属パッド１４４の蒸着は、金属蒸着やリフトオフ法などの半導体産業において周知の標準的なフォトリソグラフィ法によって実行可能である。
【００７０】
上部ミラー内にレージングモードを定義する微細構造を提供することにより、非ゼロの横成分を有する、ＰＢＧ面から外れた伝播光がＰＢＧ面のＰＢＧ領域内に進入することをＰＢＧ領域が妨げ、この結果、光アパーチャがモードを定義しているのである。従って、ミラー内におけるＰＢＧ面の位置は変更可能である。最強の効果を実現するには、抑圧又は防止対象のモードが最高の強度（電界強度）、即ち最大の横成分、を備えるミラー内の面にＰＢＧ面を形成する必要がある。
【００７１】
前述のように、このＰＢＧ微細構造は、いくつかの異なる周期的な格子によって製造可能である。図９は、散乱中心の間に距離Λhcを備えるハニカム格子を示している。図１０は、散乱中心の間に距離Λtriaを備える三角形の格子を示している。六角形、四角形、長方形、及び菱形などのその他の格子も使用可能である。
【００７２】
図１１は、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、及び図４に関連して説明した好適な実施例の三角形のＰＢＧ構造の詳細を示している。この場合には、光アパーチャ１１８は、「円形」の領域内に隣接して位置する７つの散乱中心を除去することによって格子内に欠陥領域を導入することにより、形成されている。この光アパーチャ１１８は、基本モードＴＥＭ00においてのみレージングを提供するべく適合されている。ＴＥＭ00は、、理想的には円形の対称性を備えているため、光アパーチャは、円形の対称性を備えることが好ましい。しかしながら、完璧な円形の対称性を周期的な格子において得ることは不可能であり、従って、高度な対称性が好ましい。図１１に示されている光アパーチャは、六角形の対称性を備えており、角度０°、３０°、６０°、９０°、１２０°、及び１５０°において６つの対称軸を有している。これを６回対称と呼ぶ。図４の場合のように、１つの散乱中心のみを除去した場合にも、光アパーチャ１１８は、やはり６回対称を備えることになろう。基本モードにおいてのみレージングを提供するべく適合された光アパーチャは、３回又はこれ以上の対称性を備えることが好ましい。
【００７３】
図１２は、図２Ｂに関連して説明した好適な実施例の三角形のＰＢＧ構造の詳細を示している。この場合には、光アパーチャ１２０は、細長い領域内に隣接して位置する９つの散乱中心を除去することによって格子内に欠陥領域を導入することにより、形成されている。この光アパーチャ１２０は、細長い光アパーチャ１２０の長さ方向に沿って偏光を備えるモードのレージングを提供するべく適合されている。この光アパーチャのアウトラインは、長方形（図２Ｂ）、どの面も平行ではない四辺形（ｔｒａｐｅｚｏｉｄ）（図１２）、又は楕円であることが好ましい。しかしながら、完璧な幾何学形状を得ることはできない。最も重要なことは、光アパーチャがレージングに与える影響がモードの偏光に応じて異なっており、延長に対して交差するように偏光されたモードは抑圧又は防止され、延長に沿って偏光されたモードは促進されるという点である。モードの偏光は、１つは延長と交差し、他方は延長に沿う２つの垂直に偏光されたモードの重ね合わせとして表すことができるため、細長い光アパーチャの２回の対称性が好ましい。
【００７４】
図１３は、図２Ｃに関連して説明した好適な実施例の三角形のＰＢＧ構造の詳細を示している。この場合には、散乱中心１１７が共通方向に沿って延長されており、光アパーチャ１１８は、１つの散乱中心を除去することによって格子内に欠陥領域を導入することにより、形成されている。前述のように、細長い散乱中心１１７により、ＰＢＧ構造内に非対称性が導入されており、この結果、ＰＧＢ構造の効果も非対称のものとなる。細長い散乱中心１１７の寸法は、短軸に沿って１ｎｍ〜５００ｎｍ、長軸に沿っては５０ｎｍ〜１００ｎｍであってよい。
【００７５】
図１４は、図２Ｄ及び図７に関連して説明した好適な実施例の三角形のＰＢＧ構造の詳細を示している。この場合には、パターン内に別個に位置する７つの散乱中心を除去することによって格子内に７つの欠陥領域を導入することにより、７つの光アパーチャ１１８が形成されている。光アパーチャ１１８のそれぞれは、基本モードＴＥＭ00においてのみレージングを提供するべく適合されており、従って、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、及び図６に関連して説明したものと類似の光アパーチャのアレイを形成している。これらの光アパーチャの位置とサイズは、所望の遠視野を生成するべく変更可能である。
【００７６】
電流アパーチャのサイズ又はポンピングレーザの焦点が十分に大きく、モードと活性層間のオーバーラップの中に利得領域を設けることができる場合には、レージングモードのサイズを制御するのは光アパーチャのサイズである。利得領域が小さ過ぎる場合には、レージングモードのサイズは、これによって制限されるようになる。従って、利得領域のサイズがレージングモードを制限せず、この機能が光アパーチャのタスクとなるように、利得領域と光アパーチャ間の相対的なサイズを調節する必要がある。通常、光アパーチャは、２μｍ〜５０μｍの間の直径を備えている。しかしながら、ＶＣＳＥＬ構造の残りの部分の設計に応じて、この範囲を超える直径を使用可能である。
【００７７】
ＰＢＧはモードの横成分に影響を与えるため、ＶＣＳＥＬ（光アパーチャ）からのレーザ光放出の望ましい角度は、ＰＢＧ構造の格子周期Λの設計において考慮すべき重要な特性である。ミラーに対して垂直の方向ｋnに放出された光は、横モードを備えておらず、従って、ＰＢＧの影響を受けることはない。ｋnに対して角度θをなす方向ｋθに放出される光は、ｋnｓｉｎθの横成分を備えている。
【００７８】
微細構造領域内の孔の間の適切な距離Λは、次の式から算出することができる。
【００７９】
ｓｉｎ（θ）２π／λ＝（２π／Λ）・（１／ｆ（Ａ）’）
【００８０】
ここで、θは放出光の角度であり、λは空気中における光の波長であり、ｆ（Ａ）は、ＰＢＧの微細構造と、低屈折率材料に対する高屈折率材料の充填比Ａによって決定されるフォームファクタである。一次元ブラッグ反射器の場合には、ｆ（Ａ）は０．２５であり、二次元のＰＢＧ構造の場合には、これを上回る可能性がある。例えば、θ＝１０°で、λ＝１μｍの場合には、距離Λは、この波長の数倍になる可能性があり、このＰＢＧ微細構造は、これらの設計パラメータにおいて、１０°を上回る外角を有するモードを抑圧するようになる。
【００８１】
これらのＰＢＧ構造のＶＣＳＥＬのアプリケーションには、ローカルエリアネットワーク用のトランスミッタなどの単一モード動作が望ましい光通信が含まれる。加えて、これらＰＢＧ構造のＶＣＳＥＬから得られる単一モードパワーを拡張した領域では、光記憶領域のアプリケーションが可能である。更には、ＰＢＧ  ＶＣＳＥＬの改善された遠視野特性により、例えば、希土類を添加した光ファイバや導波路などの光ポンピング領域におけるアプリケーションも可能であろう。
【００８２】
図１５は、図６との比較で、本発明の別の実施例を示している。この実施例においては、ＰＢＧ微細構造１１５は、半径方向に実現されており、従って、図１５に示されているように、同心円を形成している。この場合、ＰＢＧ構造は、主として一次元の周期的な、或いは順周期的な構造である。円の中心におけるアパーチャ１１８は、レージング動作の光モードを定義しており、同心の屈折率の変化により、高次のモードがレージング状態に到達するのを防止している。図１５においては、平面図で、横方向の屈折率の変化と中心におけるアパーチャ１１８を示す同心円１１５を示している。そして、側面図では、横方向の一次元の屈折率の変化の一実施例を示しており、この場合には、上部ミラー１０５内に円形の溝をエッチングすることによって形成されている。その他の実施例は、二次元のＰＢＧアレイの実現に関して説明したとおりである。
【００８３】
前述のようにＰＢＧ微細構造１１５が円形の対称形状を備えている場合には、それらの円は、周期的に配列しないことが好ましい。即ち、隣接する円間の距離にピッチを導入するのである。好適な実施例においては、このピッチは、ベッセル関数によって表すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１Ａ】本発明の好適な実施例によるＰＢＧ領域と光アパーチャを有するＶＣＳＥＬの透視図。
【図１Ｂ】基本光モードを概略的に描いた図１Ａの実施例の断面図。
【図１Ｃ】基本光モードを概略的に描いた図１Ａの実施例に類似の別の実施例の断面図。
【図２Ａ】本発明の一実施例のＰＢＧ領域と光アパーチャを示す図。
【図２Ｂ】本発明の一実施例のＰＢＧ領域と光アパーチャを示す図。
【図２Ｃ】本発明の一実施例のＰＢＧ領域と光アパーチャを示す図。
【図２Ｄ】本発明の一実施例のＰＢＧ領域と光アパーチャを示す図。
【図２Ｅ】本発明の一実施例のＰＢＧ領域と光アパーチャを示す図。
【図３Ａ】本発明によるＶＣＳＥＬレーザの光アパーチャと横電磁モード間のオーバーラップを示す図。
【図３Ｂ】本発明によるＶＣＳＥＬレーザの光アパーチャと横電磁モード間のオーバーラップを示す図。
【図４】誘電体上部ミラーとイオン注入によって定義された電流アパーチャを有するＶＣＳＥＬの断面図。
【図５】エピタキシャル成長させた半導体の上部ミラーとＶＣＳＥＬ内の層の中の１つを酸化することによって定義された電流アパーチャを有するＶＣＳＥＬの断面図。
【図６】本発明の好適な実施例によるＶＣＳＥＬの半透明の平面図であり、接点、ＰＢＧ構造、光アパーチャ、及び電流アパーチャを示す図。
【図７】本発明の好適な実施例によるＶＣＳＥＬのフェーズドアレイの半透明の平面図であり、接点、ＰＢＧ構造、光アパーチャ、及び電流アパーチャを示す図。
【図８Ａ】好適な実施例によるＶＣＳＥＬレーザの断面図を示しており、ＰＢＧ領域を形成する一方法を示す図。
【図８Ｂ】好適な実施例によるＶＣＳＥＬレーザの断面図を示しており、ＰＢＧ領域を形成する一方法を示す図。
【図８Ｃ】好適な実施例によるＶＣＳＥＬレーザの断面図を示しており、ＰＢＧ領域を形成する一方法を示す図。
【図８Ｄ】好適な実施例によるＶＣＳＥＬレーザの断面図を示しており、ＰＢＧ領域を形成する一方法を示す図。
【図９】ハニカム状の周期的な格子を示す図。
【図１０】三角形の周期的な格子を示す図。
【図１１】図２Ａの実施例のＰＢＧ領域と光アパーチャの詳細な図。
【図１２】図２Ｂの実施例のＰＢＧ領域と光アパーチャの詳細な図。
【図１３】図２Ｃの実施例のＰＢＧ領域と光アパーチャの詳細な図。
【図１４】図２Ｄの実施例のＰＢＧ領域と光アパーチャの詳細な図。
【図１５】本発明の別の実施例によるＶＣＳＥＬの半透明の平面図であり、この場合には、ＰＢＧ構造が球対称となっていることを示す図。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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