(57)【要約】本発明は、レーザーダイオード（１００）であって、活性層（１０）、前記活性層（１０）の少なくとも一部を覆う導波路領域（１２）、後端面（１４）、レーザー放射をデカップリングするように構成された前端面（１６）、及び導波路領域（１２）と相互作用する格子（１８）、を含み、前記活性層（１０）は、第一の軸（Ｘ）に沿って前記後端面（１４）及び前記前端面（１６）の間の少なくとも一部分において延伸し、前記格子（１８）は複数のウェブ（２２）及び複数のトレンチ（２４）を含み、前記複数のトレンチ（２４）は、格子（１８）に沿った前記複数のトレンチ（２４）のカップリングパラメータＰの平均増加がゼロではないように設計されており、一のトレンチ（２４）のカップリングパラメータＰが式（１）により規定され、式中、ｄｒｅｓはトレンチ（２４）と活性層（１０）との距離であり、ｗはトレンチ（２４）の幅であり、Δｎは前記トレンチ（２４）の屈折率と前記トレンチ（２４）の周囲材料の屈折率との間の屈折率差である、レーザーダイオード（１００）に関する。特に、レーザーダイオードであって、分布帰還が高次の表面格子を介して行われ、放射が片面においてデカップリングされ、当該格子のカップリング強度がレーザーダイオードに導入される波のパワー密度に適合されるレーザーダイオードに関する。【選択図】図3A
2018519666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーダイオード（１００）であって、
活性層（１０）、
前記活性層（１０）の少なくとも一部を覆う導波路領域（１２）、
後端面（１４）、
レーザー放射をデカップリングするように構成された前端面（１６）、及び
導波路領域（１２）と相互作用する格子（１８）、を含み、
前記活性層（１０）は、第一の軸（Ｘ）に沿って前記後端面（１４）及び前記前端面（１６）の間の少なくとも一部分において延伸し、
前記格子（１８）は複数のウェブ（２２）及び複数のトレンチ（２４）を含み、
前記複数のトレンチ（２４）は、格子（１８）に沿った前記複数のトレンチ（２４）のカップリングパラメータＰの平均増加がゼロではないように設計されており、一のトレンチ（２４）のカップリングパラメータＰが式（１）
【数９】
2018519666.tif 000011
により規定され、
式中、ｄｒｅｓはトレンチ（２４）と活性層（１０）との距離であり、ｗはトレンチ（２４）の幅であり、Δｎは前記トレンチ（２４）の屈折率と前記トレンチ（２４）の周囲材料の屈折率との間の屈折率差である、
レーザーダイオード（１００）。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記格子（１８）のカップリングパラメータＰに基づくアポダイゼーション係数ＡＰは１．１以上であり、当該アポダイゼーション係数ＡＰは式（２）
【数１０】
2018519666.tif 000012
により得られる、前記格子（１８）の複数のトレンチ（２４）のカップリングパラメータＰの最大値及び最小値の比により規定される、レーザーダイオード（１００）。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記格子（１８）の局所反射率Ｒ（ｘ）に基づくアポダイゼーション係数ＡＲは１．１以上であり、当該アポダイゼーション係数ＡＲは式（３）
【数１１】
2018519666.tif 000013
(3)
により得られる、前記格子（１８）の局所反射率Ｒ（ｘ）の最大値及び最小値の比により規定される、レーザーダイオード（１００）。
【請求項４】
請求項１に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記格子（１８）の局所カップリング定数と長さの積κＬに基づくアポダイゼーション係数ＡκＬは１．１以上であり、当該アポダイゼーション係数ＡκＬは式（４）
【数１２】
2018519666.tif 000014
により得られる、前記格子（１８）の局所カップリング定数と長さの積κＬ（ｘ）の最大値及び最小値の比により規定される、レーザーダイオード（１００）。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記個々のトレンチ（２４）のカップリングパラメータＰは前記導波路領域（１２）に導入された波（２６）のパワー密度に適合され、前記カップリングパラメータＰは、パワー密度が低い領域におけるカップリングパラメータＰと比較してパワー密度が高い領域におけるカップリングパラメータＰが減少している、レーザーダイオード（１００）。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記格子（１８）に沿った前記カップリングパラメータＰの機能的相関は、単調増加又は減少、線形増加又は減少、二次的増加又は減少、あるいは指数関数的増加又は減少のいずれかである、レーザーダイオード（１００）。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記個々のトレンチ（２４）と活性層（１０）との距離ｄｒｅｓにおける∨ｄｒｅｓの変量が１．１以上である、レーザーダイオード（１００）。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記個々のトレンチ（２４）の幅ｗの変量∨ｗが１．１以上である、レーザーダイオード（１００）。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記個々のトレンチ（２４）の屈折率及び前記トレンチ（２４）の周囲材料の屈折率との間の屈折率比Δｎの変量∨Δｎが１．１以上である、レーザーダイオード（１００）。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記格子（１８）の長さＬが１００μｍ以上であるか、前記第一の軸（Ｘ）に沿った後端面（１４）と前端面（１６）との間の距離の少なくとも１０％に相当する、レーザーダイオード（１００）。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記格子が共振器の全長に渡って延伸しているか、あるいは少なくとも二つのサブグレーティングに分けられており、前記少なくとも二つのサブグレーティングは前記第一の軸（Ｘ）に沿った後端面（１４）と前端面（１６）との間に延伸している、レーザーダイオード（１００）。
【請求項１２】
請求項１１に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記格子（１８）のトレンチ（２４）が、光学利得がある領域又は光学利得が無い領域に完全に又は部分的に位置している、レーザーダイオード（１００）。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記トレンチ（２４）が等間隔に配置されている、レーザーダイオード（１００）。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記トレンチ（２４）の少なくとも一つにおいてトレンチ（２４）の幅ｗが前記活性層（１０）の方向に向かって傾斜している、レーザーダイオード（１００）。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記  （２４）の壁が異なるプロファイルを有している、レーザーダイオード（１００）。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載のレーザーダイオード（１００）であって、前記個々のトレンチ（２４）のカップリングパラメータＰが、前記第一の軸（Ｘ）に垂直な方向に延伸する第二の軸（Ｙ）に沿った位置に依存し、前記位置に依存するトレンチ（２４）のカップリングパラメータＰが導波路領域（１２）に導入された波（２６）のパワー密度に適合しており、前記位置に依存するトレンチ（２４）のカップリングパラメータＰの値は、パワー密度が低い領域における位置に依存するトレンチ（２４）のカップリングパラメータＰの値と比較してパワー密度が高い領域における位置に依存するトレンチ（２４）のカップリングパラメータＰの値が減少している、レーザーダイオード（１００）。
【請求項１７】
レーザーダイオード（１００）の製造方法であって、
活性層（１０）及び前記活性層（１０）の少なくとも一部を覆う導波路領域（１２）を設ける工程、
後端面（１４）及び前端面（１６）をレーザー放射可能に設ける工程、及び
複数のウェブ（２２）を有する格子（１８）及び複数のトレンチ（２４）を、前記（１８）が前記導波路領域（１２）と相互作用可能に設ける工程、を含み、
前記活性層（１０）は少なくとも第一の軸（Ｘ）に沿って前記後端面（１４）及び前記前端面（１６）の間の一部において延伸し、
前記複数のトレンチ（２４）は、当該複数のトレンチ（２４）のアポダイゼーション係数Ａが１．１以上になるように設計されている、製造方法。
【請求項１８】
請求項１７記載のレーザーダイオード（１００）の製造方法であって、
複数の開口（３２）を有するエッチングマスク（３０）を前記導波路領域（１２）に当てる工程、及び
マスクされた前記導波路領域（１２）をエッチング工程によりパターニングする工程、をさらに含み、
前記開口（３２）の幅が第一の軸（Ｘ）及び／又は第二の軸（Ｙ）に沿って変化する、製造方法。
【請求項１９】
請求項１７記載のレーザーダイオード（１００）の製造方法であって、前記エッチング工程は異方性反応性イオンエッチングである、製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜概要＞
本発明は、分布帰還型レーザーダイオード及びその製造方法に関する。具体的には、本発明はレーザーダイオード及びその製造方法であって、分布帰還が高次の表面格子を介して行われ、好ましくは放射が片面においてデカップリングされ、当該格子のカップリング強度がレーザーダイオードに導入される波のパワー密度に適合されるレーザーダイオード及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
＜本発明の技術的背景＞
分布帰還型レーザーダイオード（分布帰還又はＤＦＢレーザーダイオードとも称される）は、モノリシックに構成された周波数が安定化された光源である。外部キャビティを有するダイオードレーザーやＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザーダイオードと比較して、分布帰還型レーザーダイオードにおいては、周波数選択要素はレーザー共振器にモノリシックに結合されており、放射生成の間これと作用している。周波数選択要素は、通常、活性層の至近に配置されたブラッグ格子であり、これは表面格子として設計され、生成された放射線場と直接作用する。
【０００３】
分布帰還型レーザーダイオードの主な利点は、モノリシックな構成であり、これによってコンパクトで安定なダイオードレーザーの構造が実現される。設計及び材料の品質の改良により、近年このようなダイオードレーザーのコンセプトの実施において相当な進歩がもたらされ、広帯域レーザーダイオードの使用により１ワットより相当高い光学的パワーがハイパワーなレーザーダイオードの分野において実現されるようになった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
可能な限り狭いレーザー放射を達成するためには、格子と光学場との間の相互作用が強いことが要求される。しかしながら、そのような強い相互作用を呈する格子はデカップリングの効率を低下させ、共振器の光学的損失を増大させる。従って、高い出力と高い電気−光学変換効率は一般的にレーザーダイオードの狭い線幅に反する。従って、二つのパラメータ間の最適値を達成するためには、格子の相互作用の強さはレーザー場に対して高い精度をもって調整されなければならない。
【０００５】
分布帰還型レーザーダイオードの設計において、格子の影響は極力小さくしなければならない。これは、電源における僅かな電気抵抗の増加や光学吸収であってもレーザーの性能を大きく低下させることがよくあるからである。さらに、高次（Ｎ≧１０）の格子を使用することは、特にリソグラフィーの工程における要求を低減させることが可能であるため、有利である。
【０００６】
しかしながら、このような高次の格子を有する分布帰還型レーザーダイオードの製造において、要求される格子の深さを得る際の製造上の許容範囲は非常に小さい。さらに、光学的パワー密度が高い領域において格子の影響を低減させて共振器の損失を低減させることができ、例えば軸方向ホールバーニングのような飽和効果を打ち消すことができるのであれば、有利である。
【０００７】
狭帯域レーザーダイオードにおけるさらなる基準は、操作の際に達成可能なロッキング範囲である。ロッキング範囲は、格子のブラッグ波長と活性層の最大ゲインがどの程度離れているかを、スペクトル線の幅を増大させること無く（９５％パワー閉じ込め）示す指標である。この距離は、離調（Δλdet）とも称される。離調の同調は、通常、レーザーダイオードの温度を介して行われる。先行技術（Crump et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013) 013001; Decker et al., IEEE Photon Technol. Lett 27 (2015) 1675）に開示される、光学的出力線と操作電流との間の比率に関して均一な格子を備える分布帰還型レーザーダイオードにおいては、典型的には０．９Ｗ／Ａの電気−光学的パワー増大Ｓが測定される。例えば、１ｎｍ未満（±２σの範囲）の線幅は、３５Ｋまでの熱的同調ウィンドウ（Δλdet≒１０ｎｍ）により成功することが示されている。均一格子においては、しかしながら、パラメータ範囲は一般に既に完全に試し尽くされ広く最適化されているため、熱的同調による挙動のさらなる改良は、レーザーダイオードの変換効率又はデカップリング効率を犠牲にしないと達成できない。
【０００８】
よって、本発明は、先行技術の問題の一つ又はこれ以上を回避できるか、少なくとも大幅に低減可能な分布帰還型レーザーダイオードを提供することを目的とする。具体的には、レーザーダイオード及びその製造方法であって、分布帰還が高次の表面格子を介して行われ、好ましくは放射が片面においてデカップリングされ、当該格子のカップリング強度がレーザーダイオードに導入される波のパワー密度に適合されるレーザーダイオード及びその製造方法が提供される。
【０００９】
＜発明の概要＞
前述の目的は、請求項１に係るレーザーダイオードにより達成することができる。よって、レーザーダイオードは、活性層、活性層の少なくとも一部を覆う導波路領域、後端面、レーザー放射をデカップリングするように構成された前端面、及び導波路領域と相互作用する格子、を含み、前記活性層は、第一の軸に沿って前記後端面及び前記前端面の間の少なくとも一部分において延伸し、前記格子は複数のウェブ及び複数のトレンチを含んで構成されている。本発明は、複数のトレンチが、格子に沿った当該複数のトレンチに関するカップリングパラメータＰの平均増加が０ではないように形成されることを特徴とする。ここで、トレンチのカップリングパラメータＰは以下の式により規定される。
【００１０】
【数１】
2018519666.tif 000003
【００１１】
ここで、ｄｒｅｓはトレンチから活性層までの距離であり、wはトレンチの幅であり、Δｎ＝｜ｎ−ｎＮ｜はトレンチの屈折率ｎと当該トレンチの周囲材料の屈折率ｎＮとの間の屈折率差（屈折率の差とも称される）である。トレンチと活性層との間の距離は、活性層に対向する対応のトレンチの面と、当該トレンチに対向する活性層の面との間の最小の距離である。
【００１２】
導入されたカップリングパラメータは、格子と、導波路領域中の第一の軸と平行な導波路との間の相互作用の強度を識別し規定する特性としての役割を担うものである。従って、カップリングパラメータは、格子と波との相互作用の強度との間の一般化された関係を表すものであるが、これは波の特定の物理的特性を考慮したものではない。
【００１３】
本発明のさらなる側面において、レーザーダイオードは、活性層、活性層の少なくとも一部を覆う導波路領域、後端面、レーザ放射をデカップリングするように構成された前端面、及び導波路領域と相互作用する格子、を含み、前記活性層は、第一の軸に沿って前記後端面及び前記前端面の間の少なくとも一部分において延伸し、前記格子は複数のウェブ及び複数のトレンチを含んで構成されている。本発明は、複数のトレンチが、格子に沿った当該複数のトレンチに関するカップリングパラメータＰの平均増加が０ではないように形成されることを特徴とし、ここで、トレンチのカップリングパラメータＰは式Ｐ＝ｗ・ｄ・ｎ（式中、ｄはトレンチの深さ又はトレンチから活性層までの距離であり、ｗはトレンチの幅であり、ｎはトレンチの屈折率である）により規定される。これはカップリングパラメータＰの別の定義である。異なる定義により得られる値は、互いに変換可能である。
【００１４】
カップリングパラメータＰの定義は、一般に有効な測定の規定を表すものではない。これはむしろ、同じ格子配置内にある個々のトレンチのカップリング強度を比較可能にするためのものである。従って、使用されている平均の定義又は深さ、幅、及び屈折率についての相対的な定義は、実際には異なる格子間で異なり得る。しかしながら一の格子構造においては明確な定義がなされるべきである。個々のパラメータ（格子のトレンチの深さ又は距離、幅及び屈折率又は屈折率の差）及びカップリングパラメータの平均増加の決定には、好ましくは算術平均が使用される。これは、トレンチの壁が例えば段階的異方性エッチングプロセスにより異なるエッジプロファイルを有している場合に特に重要である。個々のパラメータ値を明確に決定するためには、対応する平均化が必要であることは明らかである。
【００１５】
格子は、実質的に二つのタイプ又は方式であり、これはそれらの寸法により定まる。半導体表面から導波路構造の一部をエッチングして形成された格子は、典型的には周囲の導波路領域に対して比較的大きな屈折率差Δｎを有しており、表面格子と称される。このような格子においては、物理的な格子強度は、格子と導波路領域に導入された波長との間の相互作用の実際の強度であるが、典型的には格子構造の全反射Ｒにより決定される（Decker et al., IEEE Photon., Technology Lett., 27 (2015) 1675）。全反射Ｒを表面格子について使用することにより、エッチング領域の垂直方向の構造が、長手方向のカップリングがモードプロファイルからデカップリングされない程度に変形されている。従って全反射Ｒは、数多くの方法（例えば、モードマッチング）により計算されなければならない。これに対して、第二のエピタキシー工程により導波管に埋め込まれる格子がある。これらの埋め込まれた格子は通常、周囲材料又は導波路領域と比べて比較的低い屈折率しか有さない。このような場合における垂直方向の構造は、格子領域においてほとんど変化されない。このような埋め込められた格子においては、物理的格子強度は典型的には格子構造の全反射Ｒによって決定されるのではなく、同等のカップリング定数と長さの積κLにより決定される（Crump et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013)). 013001）。この積は、前方及び後方にガイドされる伝播波長間の局所的なカップリングを表す。再成長格子を形成するためには、エピタキシャル成長を中断させる必要があり、格子を特定し（例えば電子ビームにより）、その後に再成長させる。通常このような格子の構造は埋め込み格子と称される。
【００１６】
本発明は、次の知見に基づくものである。すなわち、高い光学的パワー密度の領域においては、共振器における損失を低減し、例えば軸方向ホールバーニングのような飽和効果を防ぐためには、格子の相互作用強度を低減させなくてはならない。理論的な研究（rump et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013) 013001）により、特に従来の広帯域高出力分布帰還型レーザーダイオードにおいては光学軸に沿った長手方向に不均一な光学的パワー分布が生じることが知られている。レーザー放射の片面デカップリングの場合、レーザーダイオード内のパワー密度はデカップリングファセットの方向に連続的に増大する。実際の関数的な関係は、レーザーダイオードの具体的な設計に依存するが、通常は単純な算術的関数（線形的、指数関数的、双曲線的、・・・）により少なくとも近似させることが可能である。また、製造上技術的に回避不能な変動に対する格子の感度を低減させるためには、例えば、トレンチを形成する際のエッチング深さにて格子のカップリング強度を変えることが有利である。結果として、カップリング強度の低下の程度を適切に選択すれば、格子が十分に高い反射率又はカップリング強度を少なくとも一部の領域において確実に達成させることができる。
【００１７】
格子のカップリング強度を分布帰還型レーザーダイオード内の光学的パワー密度に適合させることにより、本願のレーザーダイオードについて格子のカップリングパラメータが実質的にレーザーダイオード内の光学的パワー密度と逆比例するような格子を得ることができる。具体的には、格子のカップリング強度を光学的パワー密度に適合させることにより分布帰還型レーザーダイオードであって、カップリングパラメータが連続的に後端面から前端面へ向けて共振器の軸に沿って減少する分布帰還型レーザーダイオードを得ることができる。これは例えば、関係する比例定数に従って隣接するトレンチの深さをこの軸に沿って減少させるか、トレンチの幅をこの軸に沿って減少させるか、トレンチの屈折率をこの軸に沿って減少させることによって行うことができる。格子は、好ましくは表面格子が用いられ、格子のオーダーは１０〜１００の間の範囲である。このような高いオーダーの格子を用いることによって、個々の格子要素間の距離、すなわちトレンチ間の距離が、レーザーダイオードにより放出されるレーザーの波長に基づいて著しく広げられることから、製造工程に要求される精度を低減させることができる。
【００１８】
トレンチのカップリングパラメータＰは、格子要素と導波路領域に導入される波長との間の相互作用の強度の局所的な値を表す。格子の影響は、全体としてさらに決定される変数として表すことができ、いわゆるアポダイゼーション係数Ａとして表すことができる。請求項１に記載される条件により、本発明によれば複数のトレンチについてのカップリングパラメータＰの平均増加は０ではなく、さらに複数のトレンチのカップリングパラメータＰの最大値及び最小値が第一（長手方向）の軸に沿って存在するように後端面と前端面との間に配置される。すなわち、
【００１９】
【数２】
2018519666.tif 000004
【００２０】
上記式により与えられる比は、カップリングパラメータＰの平均増加に加えて、格子による全体的な影響を表すのに適している。
【００２１】
アポダイゼーション係数Ａｐを決定するための上記の式は、純粋に個々のトレンチの位置的及び光学的特性に基づくものであり、格子により導入された波の特定の相互作用を考慮したものではない。基本的な物理的相互作用は正しい信号と共に記録されるが、一般的な比例関係をこれから直接導き出すことはできない。相互作用の比例性を考慮可能にするためには、物理的な格子強度を代わりに用いなければならない。
【００２２】
具体的には、以下の決定変数を使用することが可能である：（１）局所反射率Ｒ（ｘ）及び（２）格子のカップリング定数と長さの積κＬ（ｘ）は、それぞれ長手方向の位置ｘに関する関数である。反射率Ｒ及び格子内の個々の格子ウェブのカップリング定数と長さの積κＬは現実的に計算できないため、代わりに、キャビティ長全体に渡って延伸する対応の仮想均一格子の反射率を用いて位置ｘにおける反射率Ｒ又はカップリング定数と長さの積κＬが計算される。格子の反射率Ｒ又はカップリング定数と長さの積κＬは波長に依存するため、対応する最大値が常に用いられる。存在する格子パターンによって、格子構造の全反射率Ｒｍａｘ又はカップリング定数と長さの積κＬを同じタイプの二つの均一格子から決定することができ、それぞれ最小及び最大のカップリング強度を互いに関連付けて用いることができる。
【００２３】
本発明におけるカップリングパラメータＰが、第一の軸の位置ｘにおいて局所的な変化により変化する場合、アポダイゼーション係数は次の別の式のいずれかとなる。
【００２４】
【数３】
2018519666.tif 000005
【００２５】
【数４】
2018519666.tif 000006
【００２６】
局所反射率Ｒ（ｘ）又はカップリング定数と長さの積κＬ（ｘ）は、格子の個々の変数の線形的な影響を直接導き出す際にも用いることができる。具体的には、格子の個々のトレンチの深さｄ（又はトレンチから活性層への距離ｄｒｅｓ）、幅ｗ、及び屈折率ｎ又はこれらの相対的屈折率の差等の変数である。
【００２７】
本発明において局所反射率Ｒ（ｘ）又はカップリング定数と長さの積κＬ（ｘ）をレーザーダイオードの共振器軸に沿って変化させる場合、好ましいアポダイゼーション係数Ａが１．１以上として得られる。さらにアポダイゼーション係数として１．２以上、１．３以上、２以上、及び３以上が好ましい。格子強度の変量としては、異なる機能的相関が好ましく、特に長手方向軸に沿った単調増加、線形増加、又は二次的増加が好ましい。この増加は、前端面から後端面への方向及び後端面から前端面への方向のいずれの方向でもよい。特に好ましい機能的相関は、格子のカップリングが長手方向の軸に並行な導波路領域に導入された波の光パワー密度に適合されたものであり、これにより軸に沿った波と一定の相互作用を得ることができる。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態において、格子は１．１以上のアポダイゼーション係数を少なくとも1つを有している。
【００２９】
アポダイゼーション係数についてのこのような一般的な定義に追加して、本発明によるレーザーダイオードの特性の定義も、トレンチ又は格子構造に沿った格子の個々のパラメータ対応する変数∨により行うことができる。これらは固有のものであり、特に本発明に係るレーザーダイオードの好ましい実施形態において格子の複数のトレンチのカップリングパラメータＰの平均増加が０でない。この場合、対応する変数∨は特に格子構造に沿った対応のパラメータの最大値及び最小値の比により決定することができる。
【００３０】
結果として、個々のトレンチから活性層までの距離についての変数∨ｄｒｅｓから特に好ましい実施形態が得られる。すなわち、次式である。
【００３１】
【数５】
2018519666.tif 000007
【００３２】
ここで、∨ｄｒｅｓは１．１以上であり、さらに好ましいのは１．２以上及び１．３以上の変数∨ｄｒｅｓである。
【００３３】
個々のトレンチの幅ｗに基づく変数∨ｗによれば、対応するパラメータ比を定義する対応式は次式のようになる。
【００３４】
【数６】
2018519666.tif 000008
【００３５】
ここで、好ましい実施形態において１．１以上、１．２以上、及び１．３以上の値が決定できる。
【００３６】
さらに好ましい設計の定義のために、対応するトレンチの屈折率及び当該トレンチの周囲材料の屈折率との間の屈折率比Δｎについての変数∨Δｎが用いられる。好ましい実施形態から、次式の係数が得られる。
【００３７】
【数７】
2018519666.tif 000009
【００３８】
ここで、変数∨Δｎについて１．１以上、１．２以上、及び１．３以上の値が得られる。
【００３９】
さらなる変数パラメータとしては、格子に沿った格子定数∧を用いた個々のトレンチ間の距離が変数となり得、個々のトレンチの対応する有効な屈折率ｎｅｆｆにおいて、各自然数Ｎについてブラッグ条件（λＢ＝２ｎｅｆｆ∧／Ｎ）が満たされる。格子の格子定数∧における変数∨∧によって、すなわち隣り合うトレンチの距離によって、対応するパラメータ比を定義する式が得られる。
【００４０】
【数８】
2018519666.tif 000010
【００４１】
ここで、好ましい実施形態において１．１以上、１．２以上、及び１．３以上の値が決定できる。
【００４２】
本発明に係るレーザーダイオードにおいては、格子強度間の異なる機能的相関であって、一般的に前述のアポダイゼーション係数のいずれか又は対応する変数パラメータにより定義可能なものが、共振器軸に沿って設定可能である。共振器に沿った格子強度の単調な相関が特に好ましい。共振器に沿った格子強度の線形的な機能的相関がさらに好ましい。共振器に沿った格子強度の二次的な機能的相関もまた好ましい。特に好ましいのは、共振器に沿った格子強度の機能的相関であって、レーザーダイオードに導入される波のパワー密度に適合されたものであり、高いパワー密度の領域における格子密度が低いパワー密度の領域における格子密度に比較して低減されている。
【００４３】
本発明にかかるレーザーダイオードにおいて、共振器に沿った格子強度の機能的相関の方向は自由に調節可能である。しかしながら、前端面から後端面へ向かって増加する格子強度は特に好ましい。
【００４４】
形成される格子は、パッシブ、アクティブ、又はセミアクティブ格子のいずれであってもよい。アクティブ格子及びパッシブ格子は、格子の領域における光学的増幅の存在を示唆する。光学的増幅が格子の個別のサブ領域のみにおいて起こる場合、それはセミアクティブ格子である。
【００４５】
本発明に係るレーザーダイオードを技術的に実施する際、１００μｍ以上の長さの格子長が特に好ましい。共振器の長さの１０％以上の長さに対応する格子長がさらに好ましく、ここで、当該共振器は前端面と後端面との間の距離により定まる。共振器の長さの２０％以上の長さに対応する格子長もまた好ましい。格子は、共振器の長さの全体にわたって延伸させることもできる。より短い格子長の場合、第一の軸、すなわち長手方向の軸又は共振器軸に沿った格子の位置は、原理上、別のものに調節可能である。しかしながら、前端面及び／又は後端面に直接位置させることが特に好ましい。あるいは、格子をいくつかのサブ領域に分割することも可能である。サブ領域は、連続していなくてもよく、共振器軸に沿って代替的に分布させることが可能である。具体的には、個々の格子サブ領域もパッシブ、アクティブ、又はセミアクティブであるように設計することが可能である。
【００４６】
本発明のさらに好ましい構成において、格子のカップリング強度を導波路領域に導入される波のパワー密度に適合させるという本発明の思想をさらに拡張させて活性層に垂直な軸に適用させることができる。具体的には、トレンチの幅を活性層の方向に調節することが有利である。特にトレンチの幅を活性層の方向について∨字型に調節することが特に有利である。
【００４７】
本発明のさらに好ましい構成において、格子のカップリング強度を導波路領域に導入される波のパワー密度に適合させるという本発明の思想をさらに拡張させて第一の軸に垂直に延伸する第二の軸に沿って適用させることができる。この目的のために、トレンチにおけるカップリングパラメータは当該軸に沿った位置の直接的な機能と考えられ、このようなトレンチの位置−依存性のカップリングパラメータを導波路領域に導入された波のパワー密度に適合させる。この際、高いパワー密度の領域においてはトレンチの位置−依存性のカップリングパラメータの値を低いパワー密度の領域におけるトレンチの位置−依存性のカップリングパラメータの値より低くする。
【００４８】
本発明の別の側面は、上述の特性を有するレーザーダイオードの製造方法に関するものである。この方法に用いられる工程は、本発明の特定の実施形態に大きく依存し、必要に応じて選択することが可能である。例えば、格子のウェブは、格子を形成するのに適した材料の特定の構造を改変することにより形成することができる。具体的には、ＦＩＢの手法により不純物を導入することや材料の変更が可能であり、例えば局所的結晶成長を標的において開始させたりアモルファス化プロセスによって実施できる。このようなタイプのプロセスによって、カップリングパラメータ（深さ、幅、及び屈折率又は周囲のウェブとの屈折率の差）を決定する個々のパラメータと共振器に沿った格子強度（Ｒｍａｘ（ｘ）又はκＬ（ｘ）により決定）とに同時に影響を及ぼすことが一般に可能である。別のプロセスにおいては、トレンチを直接露出させることにより実施される。これは具体的には適切なエッチングプロセスを採用することにより達成できる。この場合に形成されるトレンチは、その周囲、例えば空気より低い屈折率を有する。しかしながら、カップリング強度の純粋な位置的調整に加えて、屈折率の変化をカップリングパラメータプロファイルにさらなる影響を及ぼすために用いることも可能であり、これは次にトレンチを別の材料又は絶縁体で満たす（例えば、の壁を選択的に過成長させる）ことにより達成できる。
【００４９】
上述の特性を有するレーザーダイオードの製造方法は、好ましくは導波路領域に対する複数の開口を有するエッチングマスクを適用する工程、及び適切なエッチング工程によりマスクされた導波路領域をパターニングする工程を含む。ここで、当該開口の幅は第一の軸及び／又は第二の軸に沿って局所的に変化し、当該エッチング工程は好ましくは異方性反応性イオンエッチングである。
【００５０】
このようなエッチング工程を用いる利点は、いわゆるマイクロローディング効果を活用し得る可能性にある。この効果は、エッチングしようとする構造に特異な寸法に、観測されるエッチング速度が依存することを指す。具体的には、サブμｍレベルのトレンチを形成する際、エッチング速度及び特定のエッチング時間において達成可能なエッチング深さはレジストの開口の幅及びトレンチの実際のエッチング深さに依存する。対応関係が既知であれば、レジストの開口の幅を定めることでエッチング深さの変化を制御することができる。この効果を選択的に活用することで、一回のエッチング工程で格子のカップリング強度を導波路領域に導入された波に適合させることができる。
本発明のさらに好ましい実施形態は、従属項に記載される他の特性により明らかになる。
【００５１】
本発明のあらゆる実施形態を述べるが、個別のケースにおいて明示しない限り互いに組み合わせることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】先行技術に係る分布帰還型レーザーダイオードの空間的模式図である。
【図２】先行技術に係る分布帰還型レーザーダイオードにおける長手方向のパワー分布の理論計算を示す図である。
【図３】図３ａ、図３ｂは本発明に係る分布帰還型レーザーダイオードの好ましい実施形態の模式図である。
【図４】本発明に係る分布帰還型レーザーダイオードの格子構造の好ましい実施形態の模式図を三つ示す図である。
【図５】本発明に係る分布帰還型レーザーダイオードの格子構造の特に好ましい実施形態の模式図である。
【図６】本発明に係る分布帰還型レーザーダイオードの好ましい実施形態を製造するためのエッチングマスクを平面視した模式図及びエッチング後の断面図である。
【図７】図６に係るマスクを使用した本発明に係る分布帰還型レーザーダイオードの好ましい実施形態の製造において実験から得られたトレンチ深さを示す図である。
【図８】本発明に係る分布帰還型レーザーダイオードの別の好ましい実施形態を平面視及び断面視した模式図である。
【図９】均一な格子から得られた従来の分布帰還型レーザーダイオードのパワー曲線の一例を示す図である。
【図１０】均一な格子から得られた従来の分布帰還型レーザーダイオード（ＡＰＩ＝１．０に相当）と比較した好ましい実施形態における分布帰還型レーザーダイオードＡＰＩ＝３．０）の性能を示す図である。
【図１１】均一な格子の場合において、格子構造について達成し得る反射率の最大値Ｒｍａｘ（ｄｒｅｓ，ｗ）をトレンチと活性層との距離ｄ及び活性層の近傍におけるトレンチの最小幅ｗの関数として決定するための計算によるシミュレーションを示す図である。
【図１２】格子強度を変化させた本発明のレーザーダイオードの複数の実施例に係る格子の局所分布された反射率の最大値Ｒｍａｘ（ｘ）を決定するための計算によるシミュレーションを示す図である。
【００５３】
＜本発明の詳細な説明＞
図１は、先行技術に係る分布帰還型レーザーダイオード１００の空間的模式図である。活性層１０は、導波路領域１２により上下から直接挟まれている。レーザー放射の生成及び伝播は、好ましくは第一の軸Ｘ（同時に、光学軸でもある）に沿って起こる。この目的のため、第二の軸Ｙは活性層１０に並行に延伸している。レーザーダイオード１００の端部は第一の軸Ｘが後端面１４から前端面１６へ貫かれている。この場合、レーザーダイオード１００内で生成されたレーザー放射は前端面１６から放出される。これは、追加された反射防止膜により達成できる。後端面１４は、しかしながら、デカップリングを低減するためにミラーコーティングを施されることが多い。レーザーダイオードを操作する際、前端面１６と後端面１４との間で波２６が生成し、第一の軸Ｘに沿って導波路領域１２を通過するように誘導される。レーザーダイオード１００内で、位置依存性のパワー密度分布は内部構造によるものである。基礎となる分布係数は、レーザーダイオード１００の対応する減衰及びフィードバック特性に主に依存する。図において、前端面１６方向への内部パワー密度の増加は、誘導された波２６の振幅の増加により表されている。分布帰還型レーザーダイオード１００においては、導波路領域１２に導入された波２６は少なくとも格子１８の部分において相互作用し、ここで、格子１８は複数のウェブ２２及びトレンチ２４を有している。導入された波２６と格子１８との相互作用により、生成される放射の周波数が選択され、これによって放射は単一又は少数の増幅モードに制限される。従来技術による格子１８では、個々のトレンチ２４の深さ及び幅は製造上許容される限りにおいて実質的に一定である。従って、従来技術による格子１８は、通常は格子特性についての位置依存性が無いか、わずかにある。しかしながら、上記のパワー密度分布の位置依存性により、導波路領域１２に導入された波２６と格子１８との間の相互作用は位置にも大きく依存し、これはレーザーダイオード１００の放射特性に好ましくない影響を及ぼす。
【００５４】
図２は、先行技術に係る分布帰還型レーザーダイオードにおける長手方向のパワー分布の理論計算を示す図である（Crump et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013) 013001）。この図は、従来技術に係る分布帰還型レーザーダイオード１００について、導波路領域１２に導入された波２６と対応する格子１８との間のカップリング定数と長さの積κＬ（カップリングパラメータに比例する）を変えた場合の、しきい電流における第一の軸Ｘに沿った長手方向の平均パワー分布２８を示すものである。グラフの左側は、レーザーダイオード１００の後端面１４の位置に相当し、グラフの右側はレーザーダイオード１００の前端面１６の位置に相当する。本実施形態においては、後端面１４と前端面１６との間隔は３mmである。グラフ中の点線が付記されている曲線は後端面１４における反射の状態の変化による影響を考慮したパワー分布に対応する。分布帰還型レーザーダイオード１００における第一の軸Ｘに沿った長手方向の平均パワー分布２８は、多くのケースにおいて一定値を有さず、むしろ前端面１６の方向に向かって値が増加することが理解できる。
【００５５】
図３ａは本発明に係る分布帰還型レーザーダイオード１００の好ましい実施形態の模式図である。参照符号と個々の参照符号の割当ては、主に図１のものに対応する。本質的な違いは、格子１８の構造設計である。図１の格子１８と比較して、本発明では導波路領域１２に導入された波２６のパワー密度と格子とのカップリングを適合可能なように調整されている。この目的のため、第一の軸Xに沿った格子１８の個々のトレンチ２４の深さｄは、後端面１４の近傍の最大トレンチ深さｄｍａｘから始まり、前端面１６の近傍の最小トレンチ深さｄｍｉｎへ連続的に減少するように設計されている。トレンチ深さｄを変化させることにより、パワー密度が高い領域においては導波路領域１２に導入された波２６と格子１８との間の相互作用が減少し、パワー密度が低い領域においては導波路領域１２に導入された波２６と格子１８との間の相互作用が増加するようになる。この結果として、増幅における飽和効果を防ぐか少なくとも減少させることができる。図３ａにおいて、格子１８の空間的特性をより明確にするため、その一部を強調している。ウェブ２２により隔てられた二つの隣接するトレンチ２４が図示されている。トレンチ間の平均距離は格子定数Λに対応し、これは中央における格子１８の波長を規定するものである。他方、個々のトレンチ２４は平均幅ｗ、平均深さｄ、屈折率ｎ、及びこれらのパラメータから得られるＲｍａｘ（ｘ）及びκL（ｘ）によって規定することができる。具体的には、これらの三つのパラメータはそれぞれ互いに独立に変化させることができ、そのような変化は導波路領域１２に導入された波２６と格子１８との間の相互作用に対して影響を与える。提示の実施形態においては、Ｎ−エレメントの格子１８におけるトレンチ２４の深さｗと屈折率ｎは全て一定であると想定可能であり、ｗ１＝ｗ２＝ｗＮ及びｎ１＝ｎ２＝ｎＮが成立する。格子１８のトレンチ２４の深さは、他方、前端面１６に向かって減少され、従ってｄ１＞ｄ２＞ｄＮと表される。
【００５６】
図３ｂは本発明に係る分布帰還型レーザーダイオード１００の同じ好ましい実施形態の模式図である。図３ａに示される模式図と比較して、ここにおけるパラメータｄｒｅｓはトレンチ２４と活性層１０との間の距離を規定するものである。この場合において、ｄｒｅｓは格子１８の上端から活性層１０までの距離としてｄに関連付けられている。他の全ての参照符号及びパラメータは、図３ａに示されるものと一致し、その定義も同様に適用される。また本実施形態においては、ｗ１＝ｗ２＝ｗＮ及びｎ１＝ｎ２＝ｎＮが成立すると想定することができる。他方、格子１８のトレンチ２４と活性層１０との間の距離は、前端面１６に向かって増加し、従ってｄｒｅｓ１＜ｄｒｅｓ２＜ｄｒｅｓＮと表される。
【００５７】
図４は、本発明に係る分布帰還型レーザーダイオード１００の格子構造１８の好ましい実施形態の模式図を三つ示す図である。図４ａは、図３に示される格子１８の構造においてトレンチ２４のトレンチ幅ｗと屈折率ｎを一定としてトレンチ深さｄを変化させた場合に対応する。個々の参照符号の適用は同様である。これとは対照的に、図４ｂは、トレンチ２４のトレンチ深さｄと屈折率ｎは一定に保たれ、後端面１４と前端面１６との間にある個々のトレンチの幅ｗが変化される。具体的には、前端面に向かってトレンチ２４の幅が減少される様子が示されている。図４ｃは、個々のトレンチ２４の深さｄとこれらのトレンチ２４の幅ｗが一定に保たれた格子１８を示している。この実施形態においては、格子１８の個々のトレンチ２４の屈折率ｎのみが変化させられている。これは例えば、格子１８を形成するのに適した材料でエッチングされたトレンチ２４を選択的に充填するか、又は部分的にコーティングすることによって、あるいは当該材料に不純物を埋め込むことによって達成される。これらの実施形態は全て導波路領域１２に導入された波２６と格子１８との間の光学軸に沿った相互作用の強さを変化させることができるという点において共通している。しかしながら、ここに提示した例示的な実施形態は、影響を与え得る全ての可能性のうち一部を提示したに過ぎない。具体的には、設計を適切に組み合わせることによって、対象を絞って相互作用に影響を及ぼすことができる。これにより、特に、本発明に係るレーザーダイオード１００の製造において特定の特性を正確に制御し、製造上許容される誤差に基づく悪影響を最小限に抑えることが可能になる。
【００５８】
図５は、本発明に係る分布帰還型レーザーダイオード１００の格子構造１８の特に好ましい実施形態の模式図である。表示に際し、格子１８のウェブ２２とトレンチ２４の設計は、図４ａに対応するように選択されており、すなわち、格子１８のトレンチ２４の深さｄが後端面１４から前端面１６へ向けて減少するようになっている。上述の実施形態や実施例とは対照的に、個々のトレンチ２４の壁は上述の図面において例示的に用いられた長方形とは異なった形状を有している。特に好ましいのは図５ａに示される格子構造であり、トレンチ２４の幅ｗが連続的な∨字型となるように活性層１０の方向に傾斜したものである。このような設計により導波路領域１２に導入された波２６と格子１８との間の相互作用に活性層１０に垂直な方向に影響を及ぼすことが可能になり、よってこの方向に沿って格子１８をレーザーダイオード１００内で生じるパワー密度分布に適合させることが可能になる。この点において、この実施形態はトレンチ２４の深さｄを変化させたものに個々のトレンチ２４の幅ｗを変化させたものを重ね合わせたものを提示している。図５ｂには個々のトレンチ２４の深さの変化に個々のトレンチ２４の幅ｗを変化させたものを重ね合わせたものが示される。この実施形態は、例えば、エッチングされた壁が均一で平滑な構造を有しない異方性エッチング工程の結果であり得る。
【００５９】
図６は本発明に係る分布帰還型レーザーダイオード１００の好ましい実施形態を製造するためのエッチングマスク３０を平面視した模式図及びエッチング後の断面図である。図６ａに示されるエッチングマスク３０の平面図は、例えば、コンタクトリソグラフィーによって製造することができる。エッチングマスク３０は異なる複数の開口３２を有しており、これによって生成される格子１８の特性が定められる。ここに示されるエッチングマスク３０は第一の方向Ｘに沿って格子１８を形成するのに適しており、ここで、当該格子１８は後端面１４と前端面１６との間に延伸しており、個々のトレンチ２４の深さｄは図３に示される好ましい実施形態に従って第一の方向Ｘに沿って減少している。具体的には、本発明においてはエッチングマスク３０の個々の開口３２の幅を第一の方向Ｘに沿って減少させることによってこれを達成している。反応イオンエッチングの場合、マイクロローディング効果を活用することができ、エッチングマスク３０の開口３２の幅の変量がエッチング工程に置いて得られるトレンチ２４の深さの変量に影響を及ぼす。レジストの開口の変量は、他の方法、例えば電子ビームによっても生成することが可能である。マスク３０の対応する設計を用いることによって、生成するトレンチ２４の幅ｗ及び深さｄだけでなく結果として得られるＲｍａｘ（ｘ）及びκＬ（ｘ）にも目的とする影響を及ぼすことができる。この効果は、上述の本発明の分布帰還型レーザーダイオード１００の好ましい実施形態の個々の特性を組み合わせて用いることによってさらに効果を高めたり最適化させることが可能である。図６ｂは、本発明に係る分布帰還型レーザーダイオード１００の好ましい実施形態を製造するためのエッチングマスク３０の断面図である。生成される格子１８のウェブ２２及びトレンチ２４と、エッチング工程において覆うようにして用いられる開口３２を有するエッチングマスク３０を確認することができる。
【００６０】
図７は、図６に係るマスク３０を使用した本発明に係る分布帰還型レーザーダイオード１００の好ましい実施形態の製造において実験から得られたトレンチ深さを示す図である。図表の縦軸は長手方向の第一の方向Ｘに沿ったトレンチ２４の絶対位置を示し、個々のトレンチ２４の間隔はそれぞれ１０μｍである。図表の横軸は、対応するトレンチ２４について測定された深さｄである。エッチングマスク３０の開口３２の幅が異なることにより、異方性反応イオンエッチングを行うとマイクロローディング効果が得られ、本発明において測定されたようなトレンチの深さｄについての好ましい変量が得られる。実験により定められたトレンチ２４の深さｄは、個別の円によって表示されている。実線は、深さの変化の進行を平均したものである。より大きなトレンチ深さｄがエッチングマスク３０のより広い開口３２に対応している。他方、より小さなトレンチ深さｄがエッチングマスク３０の狭い開口３２に対応している。分布帰還型レーザーダイオード１００を製造する際に用いられるマイクロローディング効果は、さらなる格子パラメータによって予め高い精度で算出することが可能であり、よって本発明に係るエッチングマスク３０を介した分布帰還型レーザーダイオード１００においては導波路領域１２に導入された波２６と格子１８との間の相互作用の強さを正確に調整することが可能である。
【００６１】
図８は本発明に係る分布帰還型レーザーダイオード１００の別の好ましい実施形態を平面視及び断面視した模式図である。図８ａは本発明に係る分布帰還型レーザーダイオード１００の格子１８の平面図である。この平面図は第一の方向Ｘ及び第二の方向Ｙに延伸しており、後端面１４と前端面１６がそれぞれ切られている。これらの二つの端面の間において、格子１８が第一の方向Ｘに沿って延伸している。前述の実施形態によれば、この格子は複数のウェブ２２とトレンチ２４とを有しており、これらのトレンチ２４の幅ｗは第一の方向Ｘ及び第二の方向Ｙの両方について異なっていても良い。このようにすることで、導波路領域１２に導入された波２６と格子１８との間の相互作用の変化を第二の方向Ｙに沿って付与することも可能となり、分布帰還型レーザーダイオード１００において当該方向においても格子１８と局所パワー密度分布との間のカップリグ強度を調整することが可能となる。反応イオンエッチングの際のマイクロローディング効果により得られる、図６ａの線Ａ-Ｂに沿った個々のトレンチの深さｄの変化が図６ｂに示される。前述の場合と同様に、トレンチ２４の深さｄは、トレンチの幅ｗが小さい領域においては浅く、トレンチの幅ｗが大きい領域においてはトレンチの深さｄも深くなっている。これにより、比較的高いＲｍａｘ（ｘ）及びκＬ（ｘ）が得られる。図５ａに示される∨字型のエッチングプロファイルとの組み合わせにより、導波路領域１２に導入された波２６と格子１８とのカップリング強度の調整が三つの空間方向の全てにおいて達成できる。
【００６２】
本発明の思想の具現化は、一連の実例によってその論証が成功した。具体的には、レーザーダイオード内のカップリングパラメータとパワー密度を適合させることによって、本発明に係る広帯域の分布帰還型レーザーダイオードのようなカップリング強度が光学軸に沿って変化するレーザーダイオードが製造された。従来技術のようなトレンチ深さが一定である格子構造を有するレーザーダイオードに加えて、前端面に向かって格子深さが減少していくレーザーダイオードも製造された。その後、レーザーダイオードを後端面において反射率ＲＲ＝９５％、前端面において反射率ＲＦ＜０．０５％でコートした。レーザーダイオードにおいて、パワー特性が連続波モードで最大２Ａ測定された。さらに、−２０℃から５０℃までの温度範囲において５℃刻みでスペクトル発光を測定して熱的ロッキング範囲ΔＴを決定した。これは、他のブラッグ又はファブリ・ペロー型の発振が生じない長手方向のシングルモード放射が維持される温度範囲を示すものである。
【００６３】
図９は、均一な格子から得られた従来の分布帰還型レーザーダイオードのパワー曲線の一例を示す図である(Crump et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013) 013001)。レーザーダイオードは、好ましくは９７３ｎｍ付近の波長で放射し、これを熱的チューニングにより９７０ｎｍと９７６ｎｍの間の実質的に６ｎｍの範囲内にある、典型的には１ｎｍ（±２σ）の線幅を有する狭帯放射に増幅することができる。レーザーダイオードのロッキング範囲ΔＴは３５Ｋである。波長は温度によっておよそ０．０８ｎｍ／Ｋ程度シフトする。ここで、約２０℃の実施温度Ｔにおいて測定された電気的光学パワー増大はＳ＝０．９Ｗ／Ａであった。
【００６４】
図１０は、均一な格子から得られた従来の分布帰還型レーザーダイオードと比較した分布帰還型レーザーダイオード１００の好ましい実施形態の性能を示す図である。電気的光学パワー増大Ｓの最大測定値を、それぞれレーザーダイオードのロッキング範囲ΔＴ内の温度Ｔに対してプロットしている。ここに示される従来の格子の場合、図９に示されるパワー曲線と比較して、格子パラメータを変えることによりレーザーダイオードのロッキング範囲ΔＴを４５Ｋにまで拡張することが可能である。しかしながら、対応する曲線から分かるように、電気的光学パワー増大Ｓは０．６Ｗ／Ａ未満の範囲に明らかに下降しており、従って一般にはハイパワーレーザーダイオードもこのスペクトル範囲において出力線の下降があると予想される。本発明に係る、格子強度Ｒｍａｘ（ｘ）及びκＬ（ｘ）について線形的な変化を有するレーザーダイオードについて、４０Ｋのロッキング範囲ΔＴが測定された。この範囲における電気的光学パワー増大Ｓは０．８Ｗ／Ａより大きい値を維持していた。格子強度が二次関数的に変化する場合、４５Ｋのロッキング範囲ΔＴにおける電気的光学パワー増大Ｓの測定値はおよそ０．９Ｗ／Ａであった。
【００６５】
図１１は、均一な格子の場合において、格子構造について達成し得る反射率の最大値Ｒｍａｘ（ｄｒｅｓ，ｗ）をトレンチと活性層との距離ｄｒｅｓ及び活性層の近傍におけるトレンチの最小幅ｗの関数として決定するための計算によるシミュレーションを示す図である。達成し得る反射率の最大値Ｒｍａｘを等値線により表示している。これより、個々の反射率の値に関し、等値線の個別的カーブが分かる。点線により示された二本の垂直線は、それぞれ、トレンチの幅ｗの典型的な最小値である５０ｎｍと１００ｎｍを示している。トレンチの屈折率ｎによる影響はここでは考慮されておらず、全てのトレンチについて一定であると推定される。計算は、表面格子の次元Ｎ＝４０、全長Ｌ＝６ｍｍを基準として行った。トレンチの特定の幅ｗに対応するトレンチと活性層との距離ｄｒｅｓの関数としての達成し得る反射率の最大値Ｒｍａｘのプロファイルは、個々の等値線における上記垂直線上のセクションから得ることができる。この工程は図１１の下部に示されている。提示されている実施例において、５００ｎｍと７００ｎｍの間の範囲では、トレンチと活性層との距離ｄｒｅｓと達成し得る反射率の最大値Ｒｍａｘとの間には線形的に近い関係が成立している。これら二つの値は、本発明に係るレーザーダイオードの製造における好ましい実行範囲を規定している。なぜなら、製造時における機能的相関が単純であるということは、製造時の許容範囲を厳密にする必要性が低いということとなり、従ってこの領域においては特に単純で信頼できる調整により所望の反射率を格子の製造において達成することが可能だからである。
【００６６】
図１２は、有効格子強度を変化させた本発明のレーザーダイオードの複数の実施例に係る格子の局所分布された反射率の最大値Ｒｍａｘ（ｘ）を決定するための計算によるシミュレーションを示す図である。生成された格子の長さは全ての事例において６ｎｍであった。特に図示されているのは、グリッド位置ｘの関数としてのトレンチと活性層との距離ｄの局所分布を示したカーブであって、三つの異なる格子タイプ（グリッド位置ｘについて反射率が線形的、指数関数的、双曲線的であるタイプ）についてのものである。さらに、従来技術に係る、全長Ｌに渡って固定された反射率を有する均一格子の場合の最大値Ｒｍａｘ（ｘ）の局所分布を参照として図示している。トレンチと活性層との距離ｄの変量は、図１１のパラメータから決定される５００ｎｍと７００ｎｍの間の線形的な実行範囲内で行うことが好ましい。格子位置ｘの関数としての局所分布反射率Ｒｍａｘ（ｘ）は、図１１に示されたカーブを利用してパラメータを変化させることにより決定できる。具体的には、線形的な実行範囲において固定された最小幅ｗ（５０μｍ）を有するトレンチの局所分布された反射率の最大値Ｒｍａｘ（ｘ）は、レーザーダイオードの後端面と前端面との間において０．２と０．７の範囲内で変化する一方、ほぼ同様の条件下において固定された最小幅ｗ（１００μｍ）を有するトレンチの局所分布された反射率の最大値Ｒｍａｘ（ｘ）は、レーザーダイオードの後端面と前端面との間において０．１と０．５の狭い範囲内のみで変化する。本発明に係るレーザーダイオードの格子パラメータを一つのみ変化させる場合、他のパラメータの影響を考慮するべきである。個々の反射率Ｒｍａｘ（ｘ）のカーブから、格子のアポダイゼーション係数Ａを決定することができる。実験した格子に関し、図１２は３．５及び５近傍の値を表示しており、いずれも１．１より大きい。カップリング定数と長さの積κＬ（ｘ）の値は、図示されたカーブから変換することにより得られる。
【００６７】
これらの結果は、本発明に係る格子のカップリング定数をレーザーダイオード内の光学パワー密度に応じて変化させたり調節したりすることによって、特性パラメータの顕著な向上が達成できることを示している。本件においては、均一な格子を有する従来の分布帰還型レーザーダイオードと比較して、格子のアポダイゼーションによって５Ｋ〜１０Ｋにおけるレーザーダイオードの熱的安定性及び熱的チューニング特性を、電気光学的パワー増体Ｓを著しく損なうこと無く向上させることができた。
具体的には、本発明に従って∨ｄｒｅｓを個々のトレンチと活性層との距離に応じて変化させたレーザーダイオードを示すことができた。距離ｄｒｅｓの大域的な最大値は０．５０μｍであり、距離ｄｒｅｓの大域的な最小値は０．７０μｍであった。従って、個々のトレンチと活性層との距離ｄｒｅｓにおける∨ｄｒｅｓの好ましい変量は１．４であった。二つの極値は、レーザーダイオードのいずれかの端面の外側に位置していた。
【００６８】
最後に、本発明のレーザーダイオードについて示された結果は個々のプロトタイプについて行われた初期的な試験によるものであることに言及する。特に、工程やパラメータに関して包括的な最適化の検討は行われておらず、従って未だ明らかにされていない領域においてさらに発展の余地があるものである。
【符号の説明】
【００６９】
参照符号
１０  活性層
１２  導波路領域
１４  後端面
１６  前端面
１８  格子
２２  ウェブ
２４  トレンチ
２６  導入された波
２８  パワー密度
３０  エッチングマスク
３２  マスク開口
１００  レーザーダイオード
ｄ  トレンチ深さ
ｄｒｅｓ  トレンチと活性層との距離
ｗ  トレンチ幅
ｎ  屈折率
Δｎ  屈折率の差（屈折率差とも称する）
Λ  格子定数
Ｉ  強度
Δλ  スペクトル線幅
Δλｄｅｔ  離調
Ｓ  電気光学的パワー増加Ｓ
Ｒ  反射率
κＬ  カップリング定数と長さの積
Ｘ  第一の軸又は方向
Ｙ  第二の軸又は方向
Ｐ  カップリングパラメータ
Ａ  アポダイゼーション係数（Apodisierungsmaβzahl）
∨  変量
【図１】
2018519666.tif 000015
【図２】
2018519666.tif 000016
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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