(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直空洞表面放射型のレーザ装置(10)において、
レーザ光の放射方向（Ａ）に垂直な平面におけるレーザ光を放射する開口(12)の外側の、この開口(12)の縁部から距離を隔てた位置においてレーザ装置(10)の本体(13,14,15,16,17,18)内に、本体を構成する半導体材料と異なった材料を充填した細長い空隙(11)によって形成されている半導体材料の不連続部を具備し、この不連続部を構成する細長い空隙(11)の開口(12)側の側壁は、前記レーザ光の放射方向（Ａ）に垂直な平面で見たときレーザ装置から放射される光の所望される偏光方向と整列した方向に延在するように形成されている垂直空洞表面放射型のレーザ装置。
【請求項２】
前記レーザ装置は、基板(17)と、この基板(17)によって支持された下部ミラー構造(15)と、下部ミラー構造(15)によって支持された活性領域(16)と、活性領域(16)によって支持された上部ミラー構造(14)と、上部ミラー構造によって支持されたコンタクト領域(13)とを具備し、このコンタクト領域(13)にはレーザ光を放射する開口(12)が形成されている請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記上部および下部のミラー構造(14)，(15)の少なくとも１つは分布ブラッグ反射器構造である請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記空隙は細長い溝(11)によって形成され、その溝(11)はレーザ装置の外表面から前記半導体本体中へ延在している請求項１記載の装置。
【請求項５】
それぞれ不連続部を構成している複数の空隙(211，212，311，312)を具備し、レーザ装置により放射される光の偏光方向はそれらの複数の空隙(211，212，311，312)によって決定される請求項１乃至４のいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
実質上平行な１対の細長い不連続部を構成している空隙(211，212)を具備し、放射される光の偏光方向は前記実質上細長い空隙(211，212)の方向と整列している請求項５記載の装置。
【請求項７】
実質上直交する１対の細長い不連続部を構成する空隙(311，312)を具備している請求項５記載の装置。
【請求項８】
不連続部を構成する空隙は溝領域(11)によって構成され、その溝領域(11)はコンタクト領域(13)を貫通してレーザ装置の半導体本体中で活性領域(16)に向かって延在している請求項２記載の装置。
【請求項９】
４００ｎｍ乃至４０００ｎｍの波長範囲で光放射が可能な半導体材料で構成されている請求項１乃至８のいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
垂直空洞表面放射型のレーザ装置の本体内(13,14,15,16,17,18)の、レーザ光の放射方向（Ａ）に垂直な平面におけるレーザ光を放射する開口(12)の外側の前記開口(12)の縁部から距離を隔てた位置に、本体を構成する半導体材料と異なる材料を充填した細長い空隙(11)よりなる半導体材料の不連続部を形成し、
前記不連続部を構成する細長い空隙(11)の開口(12)側の側壁は、前記レーザ光の放射方向（Ａ）に垂直な平面で見たときレーザ装置から放射される光の所望される偏光方向と整列した方向に延在するように形成されることを特徴とする垂直空洞表面放射型レーザ装置の放射光の偏光方向を設定する方法。
【請求項１１】
前記空洞は溝領域として形成され、その溝領域はレーザ装置の外表面から延在するように形成される請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、レーザ装置に関するものであり、特にＶＣＳＥＬダイオードのような垂直空洞表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）装置に関する。
[発明の背景技術]
レーザダイオードのようなレ−ザ装置は、通信およびデータ記憶装置のような種々の応用において使用が増加している。レーザダイオードの１形式は垂直空洞表面放射レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）であり、典型的な１例は添加図面の図１に平面図が、また図２に側断面図が示されている。ＶＣＳＥＬ1は底部電気コンタクト8を備えた基体7を有している。活性領域6は上部および下部分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ミラー構造4および5の間に挟まれ、下部ミラー構造5は基体７によって支持されている。ミラー構造4および5は例えば99.5%程度の高い反射率を与えられている。上部ＤＢＲミラー構造4はプロトン注入領域9を含んでいる。プロトン注入領域9は装置に供給される電流を限定するように機能している。
上部電気コンタクト3は上部ミラー構造4の上面上に設けられている。上部電気コンタクト3には上部ミラー構造4の上面まで貫通している開口2が形成されている。
図１および２のＶＣＳＥＬ1は開口2を通って矢印Ａの方向に放射される光出力を生成する。出力光はよく知られているように、ＤＢＲミラー構造4および5の間の活性領域6におけるレーザ効果またはレーザ作用によって生成される。
ＶＣＳＥＬ装置の主要な利点の１つは、光出力の装置の平面に垂直な方向に生成されることである。これは装置の平面方向に光を放射する従来のエッジ放射レーザダイオードと対照的である。したがって、ＶＣＳＥＬ装置は容易にアレイに製造することができる。その理由は、装置が互いに切断されることなく、単一の半導体領域上に生成されることができるからである。さらに、ＶＣＳＥＬは特に円形の光ビームを生成するのに適している。そのような円形の光ビームは、ＣＤ  ＲＯＭ駆動装置や通信装置のような装置に適用する前にさらに光学的な処理をする必要が少なく、或いは全く不要である。
しかしながら、ＶＣＳＥＬにおけるレーザ放射はしばしば直交または楕円偏光状態を許容し、偏光軸の方向、或いは、バイアス電流によっても変化することができる個々のレーザモードまたはフィラメントに偏光状態の制御を不完全なものとする。これはまた同じウエハから製造された隣接するレーザ間でさえも各装置毎に偏光軸の方向が変化する結果を生じる。
光学的な記憶、印刷、および通信を含む種々の応用に対して垂直空洞表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）の使用は多くの関心が持たれている。しかしながら、これらの応用は高いビーム品質を要求する傾向があり、特に偏光状態が正確な方向に固定される単一横断（トランスバース）モード動作において高いビーム品質が要求される傾向がある。ＶＣＳＥＬは円形ビームを発生するために形成され、２次元アレイに集積されることができるが、それらは高利得動作および強い熱的影響に関連する強い光学的非線形を受ける。そのような光学的非線形は強くはないがマルチモード動作を生じ、また放射領域を横切ってフィラメント作用を生じさせる。したがって、この性質は発生されたビームのファーフィールドを貧弱にし、貧弱に定められた偏光状態で放射される多数の強度ピークを有して、それは温度およびバイアス電流によって変化する可能性がある。
表面放射レーザから放射された光の偏光状態を制御するための従来の方法は、出力ビーム形状の歪みを生じる可能性のある異方性空洞形状を含んでいる。異方性の応力、利得、または損失の導入は予め定められた方向に沿った偏光状態の制御に使用されるが、完全な制御は通常は装置の全動作範囲にわたって維持されない。
縮退しない空洞モードの温度デチューニングが完全な偏光制御のために使用されたが、これを行うためには利得を減少させる犠牲を伴い、そのため装置のしきい値電流が増加し、電力消費が増加し、有効なパワー出力が減少する。この影響は装置の残留歪みによって影響される直交偏光状態のスペクトル分割に強く依存している。それ故、２つの状態間で十分な利得差が得られなければ、スペクトル分割を制御するために付加的な技術が必要になる。
例えば格子のような付加的な構造をレーザと集積することは偏光制御を行うことを可能にするが、装置の複雑さを著しく増加させ、そのような構造はレーザ放射の空間的出力特性に影響を与える可能性がある。
［発明の概要］
本発明の特徴によれば、垂直空洞表面放射型のレーザ装置が提供され、このレーザ装置は、レーザ光の放射方向に垂直な平面におけるレーザ光を放射する開口の外側の、この開口の縁部から距離を隔てた位置においてレーザ装置の本体内に、本体を構成する半導体材料と異なっている材料を含む空隙よりなる不連続部を具備し、この不連続部を構成する空隙は、前記レーザ光の放射方向に垂直な平面において空隙と半導体本体との境界部がレーザ装置から放射される光の所望される偏光方向と実質上整列する方向に延在するように形成されていることを特徴とする。
この空隙よりなる不連続部は、装置の外部表面から半導体本体中に延在する細長い溝によって形成されることができる。
そのような装置は複数のそのような不連続部を含んでいてもよく、使用時に装置によって放射された光の偏光方向は不連続部によって決定される。
１対の実質的に平行な細長い不連続部が設けられてもよく、放射された光の偏光方向は光出力領域に最も近い不連続部の境界の方向とほぼ整列している。
その代りに、１対の実質的に互いに垂直な細長い不連続部が使用されてることもできる。
本発明の別の特徴によれば、垂直空洞表面放射レーザ装置が提供され、それは、基体と、基体によって支持されている下部ミラー構造と、下部ミラー構造によって支持されている活性領域と、この活性領域によって支持されている上部ミラー構造と、上部ミラー構造によって支持されているコンタクト領域とを具備し、このコンタクト領域は開口を形成され、その開口を通ってダイオードが使用されるときレーザ光が放射され、不連続部は、放射された光の偏光方向がこの不連続部の境界と実質的に整列するように形成されている。
そのような装置においては、少なくとも１つのミラー構造は分布ブラッグ反射器構造であってもよい。
不連続部は空隙によって形成されることができる。
空隙は溝領域によって形成され、その溝領域は活性領域の方向に装置中にコンタクト領域を貫通して延在している。
溝領域は装置構造のエッチングによって形成されることができ、或いは装置構造のレーザ加工により、或いは電子ビームリソグラフィによって形成されてもよい。
装置の半導体材料は４００乃至４０００ｎｍの波長範囲の光放射を可能にする。
本発明の別の特徴によれば、光の偏光方法が提供され、それは、垂直空洞表面放射レーザ装置の本体中に不連続部を形成し、その不連続部は使用時に装置から放射される光の偏光方向が不連続部の境界と実質的に整列されるように形成される。
【図面の簡単な説明】
図１および図２はそれぞれ既知のＶＣＳＥＬダイオードの平面図および断面図を示している。
図３および図４は本発明の好ましい１実施形態に平面図および断面図を示している。
図５は、既知のＶＣＳＥＬと本発明のＶＣＳＥＬの光電流Ｌ−Ｉ特性を比較したグラフである。
図６は、既知のレーザダイオードのＬ−Ｉ特性のグラフである。
図７は、本発明の１実施形態のＬ−Ｉ特性のグラフである。
図８，９，および１０は、本発明の１実施形態のしきい値より上の偏光依存パワー測定を示すグラフである。
図１１は、既知のレーザダイオードと本発明を使用したレーザダイオードのサブしきい値偏光依存Ｌ−Ｉ特性を比較したグラフである。
図１２は、既知のレーザダイオードと本発明を使用したレーザダイオードのサブしきい値偏光比測定のグラフである。
図１３は、本発明の１実施形態の出力パワーの偏光依存性を示すライン放射を通る断面を示すグラフである。
図１４は、本発明を使用したレーザダイオードの偏光分解された空洞損失測定を示すグラフである。
図１５は、本発明を使用したレーザダイオード装置のサブしきい値光スペクトルを示すグラフである。
図１６は、本発明を使用した第２のレーザダイオードの平面図を示している。
図１７は、本発明を使用した第３のレーザダイオードの平面図を示している。
［好ましい実施形態の詳細な説明］
添付図面の図３および図４は、本発明を使用するＶＣＳＥＬダイオードの平面図および断面図を示している。
既知の装置に関して上述したように、ＶＣＳＥＬ10は１対の電極13および18と、基体材料17と、活性領域16とを備え、この活性領域16は上部および下部ＤＢＲミラー構造147および15の間に挟まれている。上部ＤＢＲミラー構造14はプロトン注入領域19を有している。上部電極13は円形の開口12を有し、その開口12を通ってレーザ光は矢印Ａの方向に放射される。
図３および図４に示されたＶＣＳＥＬは、２つのミラー構造14および15の間の活性領域16においてレーザ作用が生成される点においては図１および図２の既知の装置とほぼ同様に動作する。この作用により生成された光は、前述のように開口12を通って放射される。
しかしながら、本発明においては、放射されたレーザ光の偏光制御は装置中に不連続部を導入することによって達成される。図４に示された装置においては、不連続部はエッチングされた溝11によって形成され、その溝11は上部電極13を貫通して活性領域16の方向にＤＢＲミラー構造14中に延在している。
レーザの開口に隣接するエッチングされた溝11は開口の縁部から１０ミクロンまでの距離に位置されることが好ましい（図４）。
溝の不連続部はマスキングおよびエッチング技術、或いはマイクロ機械加工、レーザ浸蝕、電子ビームリソグラフィ、Ｘ線または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって導入されることができ、また、完全な装置において実行されてもよい。
そのようなエッチングのためのその他の幾何学的構造および配置もまた所望の結果が得られるであろう。
不連続部は溝以外の他の手段によって設けられてもよい。例えば、ダイオード構造中に空隙が設けられ、或いは、その構造の空隙部品に金属または酸化物のような異なった材料が使用されることができる。溝（または空隙）はそのような材料で満たされることができる。ここで記載した不連続部は単なる例示であり、当業者は本発明の技術的範囲内においてさらに別の不連続部を設計することも可能であろう。
不連続部の方向は、好ましい、または所望する方向に放射の偏光状態を調整するために変化されることができる。装置の放射平面に対する垂線からの不連続部プロフィールの角度はその深さと共に変化されることができ、活性領域16および下部ミラー構造15のような他の層を貫通することも可能である。屈折率不連続部11の幅、長さ、形状もまた変化されることができる。
溝の導入は、放射された光ビームの偏光依存性を制御する装置の受ける歪みおよび応力を変化させる。また、偏光を制御する境界効果が現れる。
溝の導入は、光モード密度の偏光依存性を生じさせ、レーザ放射に対する類似した偏光依存性を表示した自然発生的放射を生じる別の効果を導入するものと思われる。
溝その他の不連続部を使用することによって、結晶軸の方位のような予め存在する効果とは無関係に、任意の所望の方向に主偏光軸を設定することが可能になる。出力光ビームの偏光は開口に対する不連続部の最も近接した境界の方向と整列する。
一般的には、深い溝は浅い溝よりも偏光ピンニング（ピン止め：pinning）に強い影響を与える。開口12に近い溝は開口から間隔を隔てた溝よりも影響が大きい。
この偏光制御を行う方法は光学的にポンプされるレーザ装置または電気的にポンプされるレーザ装置に適用可能である。
本発明による装置に使用される半導体材料は好ましくは４００ｎｍ乃至４０００ｎｍの波長範囲の放射を可能にする。
本発明の偏光制御は、レーザの空間的品質、スペクトルの品質、およびパワー出力特性を著しく低下させる必要はなく、また以下説明するようにレーザの電気的特性にも悪影響を与えることがない。
図５，６，７は装置の重要な特性の領域が偏光制御のための方法によって重大な劣化を生じないことを示しており、光出力／電流特性、光学的スペクトル或いは空間的出力の劣化は認められない。
図８は典型的はプロトンの注入されたＶＣＳＥＬのＬ−Ｉ特性を示しており、それにおいて貧弱な単一の偏光動作が生じている。ここでは、高次横断モードの設定において偏光状態のスイッチングが観察され、高い電流において両方の偏光が共に発生している。
図９および１０はしきい値より上の偏光依存性パワー測定における偏光制御の影響を示しており、１つの偏光からの放射が本発明を使用するそうちにおいて全装置動作範囲にわたって高度によくせいされた状態にどのようにしてとどまっているかを示している。１ミクロンの幅で、開口の縁部から７ミクロンの距離に、４乃至４．５ミクロンの深さに形成された溝のエッチングによって、単一偏光動作が強められる（図９）。
これはしきい値電流または装置の効率における最小の変化によって達成される。放射の偏光状態は装置のバイアス電流動作範囲を通じて固定された状態にとどまり、支配的なＥフィールド偏光はエッチング方向に平行である。１００を越える偏光消滅比（図１０）が得られ、熱的ロールオフの設定において顕著に減少することが認められる。事実溝のエッチングはエッチングの中央における低い駆動電流において１．５の高い消滅比を生じさせ、エッチングにおいて３に上昇した。他の装置と異なって、ピンニングメカニズムは非常に強力であり、制御されない装置で定常状態の平衡に到達する前に最初の偏光競合ではなく、装置がパルス付勢されるときターン・オンで直ちに単一偏光動作を生じさせる。開口までのエッチングの近さに関係なく、寿命時間に関して悪影響は認められなかった。
この技術は広い範囲の装置に適用され、常に成功であることが認められた。全ての場合に偏光方向はエッチング方向に沿って整列し、５度以内でこの方向のままであった。これは測定の正確度の限界である。
図１１および１２は各変形されたＶＣＳＥＬ装置の空洞開口からのサブしきい値偏光依存性パワーについてのエッチングの影響を示しており、変形によってバイアス電流がしきい値より十分に下であっても２つの偏光状態の間でユニークに分割される結果が生じることを示している。
図１３は、エッチングされたラインからの自然発生的な放射のパワー測定が高い偏光依存性を表していることを示している。
図１４は、放射のサブしきい値ライン幅に関する偏光依存性空洞損失の導入を示しており、図１５は、レーザの変更によって導入された直交偏光状態のスペクトル分割を示している。
放射開口に隣接して行われたエッチングはレーザモードに強い影響を与えないので、高いスペクトル品質の回路の出力ビーム特性はモノモード装置に対してと同様にマルチモード装置の単一モード動作形態に対して得ることができる。さらに、偏光ピンニング前に得られるならば、縦方向モノモードが保持される（図１５）。これにより観察されるライン幅の小さいシフトは小さく（＜０．２ｎｍ）、支配的な偏光は短い波長において観察される。これは偏光ピンニングメカニズムがシステムにおいて強化された複屈折を生じることができることを示している。
偏光ピンニングが成功するには溝が十分な深さに形成されることを必要とし、これらは少なくとも上部の金属コンタクト層を貫通して半導体材料中に達しなければならない。ピンニングに必要な最小の深さは開口から溝までの距離に依存していおり、また、ピンニングメカニズムが偏光を自分の方向に設定する前に既存の偏光選択機構を克服しなければならないので、既存の偏光方向に関する溝の方向に依存していいる。深さはまた、全てのモードが偏光されることを確実にするためにマルチモード装置中で十分に大きくなければならず、高次モード周波数は直交偏光により発生するので、これに関して注意が必要である。
各偏光状態に関連した空洞損失の評価は、しきい値より下の偏光分解ライン幅を測定することによって行われる。図１４から認められるように、支配的な偏光状態によって生じた測定された空洞損失が高度に抑制された状態に対するものよりも小さい。エッチングに先立って、スペクトル分割は観察されなかった。また２つの偏光状態の空洞損失は類似していることが発見された。検出器として使用されたときＶＣＳＥＬからの光により発生された電流が測定される光注入測定は、エッチング後の吸収に依存した偏光であることを示しており、これは歪み依存性の影響により恐らく駆動されるバンドエッジにおける変形を示している。
本発明を使用するレーザダイオードは、例えば、図１６および図１７に示されるように２以上の不連続部を含むこともできる。図１６では装置の開口22の両側にそれぞれ１つ設けられた２つの平行な不連続部が示されている。図１７では、１対の直交エッチング部を有している装置が示されている。
図１６に示された例では、偏光方向は２つの不連続部の方向と整列する。図１７の例は、２つの直交偏光の空洞利用を等しく設定するために使用されることができる。
【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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【図１４】
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【図１５】
0003955925.tif 000016
【図１６】
0003955925.tif 000017
【図１７】
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