(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学軸に沿って高輝度単モード光ビームを放射するためのＶＣＳＥＬであって、
光学損失を有する光学空洞であって、伝導性であり逆の伝導モードを有する第１のミラー領域及び第２のミラー領域と、前記第１のミラー領域と前記第２のミラー領域の間に挟まれ、光学軸に対して垂直であり、量子井戸を１つしか含まない面発光領域と、該面発光領域の平面に前記光学空洞の側方限界を形成するための手段とを備える光学空洞、及び
該光学空洞に結合され、前記光学軸からの側方距離が増すのに応じて前記光学空洞の光学損失を漸進的に増大させる損失決定手段を有することを特徴とするＶＣＳＥＬ。
【請求項２】
前記損失決定手段には、屈折、側方拡散、又は、集束ずれによって、前記光学軸からの側方距離が増すのに応じて、前記光学空洞の前記光学損失を漸進的に増大させるための手段が含まれることを特徴とする、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項３】
前記損失決定手段には、前記光学軸からの側方距離が増すのに応じて漸進的に増大する反射損失を前記光学空洞の光に加えるための手段が含まれることを特徴とする、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項４】
光学軸に沿って高輝度単モード光ビームを放射するためのＶＣＳＥＬであって、
光学損失を有する光学空洞であって、伝導性であり逆の伝導モードを有する第１のミラー領域及び第２のミラー領域と、前記第１のミラー領域と前記第２のミラー領域の間に挟まれ、光学軸に対して垂直であり、量子井戸を１つしか含まない面発光領域と、該面発光領域の平面に前記光学空洞の側方限界を形成するための手段とを備える光学空洞、及び
該光学空洞に結合され、前記光学軸からの側方距離が増すのに応じて前記光学空洞の光学損失を漸進的に増大させる損失決定手段を有し、該損失決定手段が、前記第１のミラー領域の表面上に設けられ、前記発光領域から遠隔であり、前記第１のミラー領域から遠隔となる部分を含み中心がほぼ光学軸に位置する湾曲表面を含む輪郭形成損失制御層を含むことを特徴とするＶＣＳＥＬ。
【請求項５】
前記輪郭形成損失制御層に、前記発光領域において発生する光に対して透過性のある半導体材料が含まれており、前記湾曲表面が前記半導体材料に形成されることを特徴とする、請求項４に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項６】
前記輪郭形成損失制御層に、前記発光領域において発生する光に対して透過性のある誘電体材料が含まれており、前記湾曲表面が前記誘電体材料に形成されることを特徴とする、請求項４に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項７】
前記輪郭形成損失制御層が、
反射防止材料を含んでおり、
前記光学軸における厚さが約ｍλ／２ｎ４であり、
前記光学軸と前記輪郭形成損失制御層の周辺部分との間で、約±λ／４ｎ４だけ漸進的に厚さが変化し、前記周辺部分が前記光学空洞の側方限界に隣接して位置し、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｍが偶数であり、ｎ４が前記反射防止材料の屈折率である、請求項４に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項８】
前記第１のミラー領域に、直列に構成された、伝導性ミラー及び誘電体ミラーが含まれていることと、前記輪郭形成損失制御層が、前記伝導性ミラーと前記誘電体ミラーの間に挟まれていることを特徴とする、請求項４に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項９】
前記誘電体ミラーが、第１の屈折率を有する高屈折率誘電体材料と、前記第１の屈折率より低い第２の屈折率を有する低屈折率誘電体材料とからなる交互層を含み、
前記輪郭形成損失制御層が、反射防止材料を有しており、前記光学軸と前記光学空洞の側方限界に対応する側方距離との間において約±λ／４ｎ４だけ厚さが漸進的に変化し、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｎ４が前記反射防止材料の屈折率である、請求項８に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１０】
前記輪郭形成損失制御層の前記反射防止材料が、前記第２の屈折率より前記第１の屈折率に近い屈折率を有していることと、
前記輪郭形成損失制御層の厚さが、光学軸において約ｍλ／２ｎ４であり、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｍが偶数であり、ｎ４が前記反射防止材料の屈折率である、請求項９に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１１】
前記輪郭形成損失制御層の前記反射防止材料に、高屈折率誘電体材料が含まれていることを特徴とする、請求項１０に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１２】
前記輪郭形成損失制御層の前記反射防止材料が、前記第１の屈折率より前記第２の屈折率に近い屈折率を有していることと、
前記輪郭形成損失制御層の厚さが、前記光学軸において約ｐλ／４ｎ４であり、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｐが奇数であり、ｎ４が前記反射防止材料の屈折率である、請求項９に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１３】
前記輪郭形成損失制御層の前記反射防止材料に、低屈折率誘電体材料が含まれていることを特徴とする、請求項１２に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１４】
光学軸に沿って高輝度単モード光ビームを放射するためのＶＣＳＥＬ（垂直共振型面発光レーザ）であって、該ＶＣＳＥＬが、
光学損失を有する光学空洞であって、
伝導性であり逆の伝導モードを有する第１のミラー領域及び第２のミラー領域であって、前記第１のミラー領域が、伝導性ミラー及び誘電体ミラーの直列配置を含む、第１のミラー領域及び第２のミラー領域と、
前記伝導性ミラー領域と前記第２のミラー領域の間に挟まれた、光学軸に対して垂直な、量子井戸を１つしか含まない面発光領域と、
該発光領域の平面における前記光学空洞の側方限界を形成するための手段とを含む光学空洞、及び
該光学空洞に結合され、前記光学軸からの側方距離が増すのに応じて前記光学空洞の光学損失を漸進的に増大させる損失決定手段を有し、該損失決定手段が、前記伝導性ミラーと前記誘電体ミラーの間に挟まれた反射防止材料からなる輪郭形成損失制御層であって、該輪郭形成損失制御層は前記光学軸と前記光学空洞の側方限界に対応する側方距離との間において約±λ／４ｎ４だけ厚さが漸進的に変化し、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｎ４が前記輪郭形成損失制御層の屈折率である、輪郭形成損失制御層を含むことを特徴とするＶＣＳＥＬ。
【請求項１５】
前記伝導性ミラーが多層伝導性ミラーであり、前記誘電体ミラーが多層誘電体ミラーである、請求項１４に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１６】
前記誘電体ミラーが、第１の屈折率を有する高屈折率誘電体材料と、第１の屈折率より低い第２の屈折率を有する低屈折率誘電体材料とからなる交互層を含むことを特徴とする、請求項１５に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１７】
前記輪郭形成損失制御層の前記反射防止材料が、前記第２の屈折率よりも前記第１の屈折率に近い屈折率を有し、
前記輪郭形成損失制御層の厚さが、前記光学軸において約ｍλ／２ｎ４であり、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｍが偶数であり、ｎ４が前記反射防止材料の屈折率であることを特徴とする、請求項１６に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１８】
前記輪郭形成損失制御層の前記反射防止材料が、前記第１の屈折率より前記第２の屈折率に近い屈折率を有し、
前記輪郭形成損失制御層の厚さが、前記光学軸において約ｐλ／４ｎ４であり、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｐが奇数であり、ｎ４が前記反射防止材料の屈折率であることを特徴とする、請求項１６に記載のＶＣＳＥＬ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体レーザに関するものであり、とりわけ、高輝度単モード出力を有する垂直共振型面発光レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
垂直共振型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）には、従来のエッジ発光レーザに比べて、低製造コスト、高歩留まり、良好なビームの質、スケーリング可能な幾何学形状といった、多くの利点がある。これらの特性によって、ＶＣＳＥＬは多くの用途にとって望ましいものになっている。例えば、Ｋ．Ｈ．Ｈａｈｎ、Ｍ．Ｒ．Ｔ．Ｔａｎ、及び、Ｓ．Ｙ．Ｗａｎｇは、Modal and Intensity Noise of Large-Area Multiple-Transverse-Mode VCSELs in Multimode-Optical-Fiber Links, 1994 Conference on Optical Fiber Communication - paper ThB3, OFC '94 において、マルチモード・ファイバ・データ・リンクにおけるＶＣＳＥＬの利用について解説している。しかし、既知のＶＣＳＥＬは、比較的単モード出力パワーが低く、そのため、用途によっては不適当な場合もある。ＶＣＳＥＬの単モード出力パワーは、ＶＣＳＥＬによって発生する光ビームが最低次のガウス強度分布になる最大出力パワーとして定義される。例えば、磁気光学ディスクに対する書き込みに適したレーザは、約３０ｍＷの単モード出力パワーを発生しなければならないが、既知のＶＣＳＥＬによって発生可能な最高の単モード出力パワーは約２〜３ｍＷである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＶＣＳＥＬは、レーザ電流が発光領域における断面積の大きい半導体材料に流れることによって光を発生する。レーザ電流がしきい値レベルをほんのわずかだけ超える場合、ＶＣＳＥＬは、単横モードで動作し、ガウス強度分布がほぼ最低次の光ビームを放射する。しかし、レーザ電流が、第２のより高いしきい値レベルを超えて増大すると、レーザは、基本の最低次モードに、より高次の強度分布が付加される多モード動作に移行する。
【０００４】
ＶＣＳＥＬは、発光領域の中心の誘導放出ゾーンにおいて光を発生する。光が発生すると、発生する光の強度に従ってキャリアの密度に減損を生じる(deplete)ので、最低次モードで動作すると、結果として、誘導放出ゾーンの中心に空乏ゾーンが形成され、相応じて、空乏ゾーンを取り巻くゾーンのキャリア密度が増すことになる。空乏ゾーンにおけるキャリア密度が所定のレベルより低くなると、ＶＣＳＥＬがその２次モードで動作するのにより好ましい条件になる。２次モードの場合、ＶＣＳＥＬによって発生する光ビームは、ダブル・ピークのガウス強度分布を想定している。レーザ電流が大きくなると、誘導放出ゾーンに追加空乏ゾーンが形成されて、ＶＣＳＥＬをより高次のモードで動作させることになる可能性がある。該高次モードの場合、ＶＣＳＥＬによって発生する光ビームは、複数ピークのガウス強度プロフィールを備えている。単モード以外で動作すると、ＶＣＳＥＬは、単一ピークのガウス強度分布を有する光ビームが必要とされる用途において用いるのに適さなくなる。
【０００５】
既知のＶＣＳＥＬは、高次のモード数を制限しようとして、平面光学空洞を利用し、光学空洞におけるモード・ボリュームを最小限に抑えている。基本モードだけでしか発振できないように、モード・ボリュームを最小限に抑えることによって、レーザはその基本ＴＥＭ0,0モードで発振するように制限される。
【０００６】
しかし、レーザがその基本モードで動作するように制限するのに十分なほど小さいモード・ボリュームは、レーザによって発生可能な最大出力パワーも制限する。
【０００７】
従って、２次以上のモードの動作が、とにかく、既知のＶＣＳＥＬによって発生する最大単モード強度よりはるかに高い強度で開始される、ＶＣＳＥＬが必要とされている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光学軸に沿って高強度の単モード光ビームを放射する垂直共振型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が得られる。ＶＣＳＥＬには、光学損失を生じる光学空洞及び光学空洞に結合された損失決定素子（loss-determining element）が含まれている。損失決定素子は、光学軸からの側方距離が増すのに応じて、光学空洞の光学損失の漸進的に増大させる。光学空洞には、第１のミラー領域、第２のミラー領域、光学軸に対して垂直な、第１のミラー領域と第２のミラー領域に挟まれた面発光領域、及び、発光領域の平面内ににおける光学空洞の側方限界を形成する素子が含まれている。第１のミラー領域及び第２のミラー領域は、両方とも、伝導性で、逆の伝導モードを有している。
【０００９】
損失決定素子は、屈折、側方拡散、または、集束ずれによって、あるいは、光学軸からの側方距離が増すのに応じて漸進的に増大する反射損失を光学空洞の光に加えることによって、光学軸からの側方距離が増すのに応じて、光学空洞の光学損失を漸進的に増大させることができる。
【００１０】
発光領域には、バルク活性領域または任意の数の量子井戸を含むことが可能である。光学軸からの側方距離が増すのに応じて、光学空洞の光学損失を増大させることに対する損失決定素子の効果は、バルク活性領域または任意の数の量子井戸領域を含む発光領域における量子井戸の数に反比例して決まる。損失決定素子の効果は、発光領域に量子井戸が１つだけしか含まれていない場合に最大になる。
【００１１】
本発明によれば、光学損失を生じる光学空洞、及び、輪郭形成損失制御層（contoured loss control layer）を含む垂直共振型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）も得られる。光学空洞には、第１のミラー領域、第２のミラー領域、光学軸に対して垂直な、第１のミラー領域と第２のミラー領域に挟まれた面発光領域、及び、発光領域の平面における光学空洞の側方限界を形成する素子が含まれている。第１のミラー領域と第２のミラー領域は、両方とも伝導性で、逆の伝導モードを有している。輪郭形成損失制御層は、活性領域から遠隔の、第１のミラー領域の表面に配置されており、第１のミラー領域から遠隔で、中心がほぼ光学軸に位置する湾曲表面を含んでいる。
【００１２】
第１のミラー領域には、直列に構成された伝導性ミラーと誘電体ミラーを含むことが可能であり、伝導性ミラーと誘電体ミラーの間に、輪郭形成損失制御層を挟むことが可能である。
【００１３】
輪郭形成損失制御層に、発光領域に発生する光に対して透明な半導体材料を含めて、その半導体材料に湾曲表面を形成することが可能である。代替案として、輪郭形成損失制御層に、発光領域に発生する光に対して透明な誘電体材料を含めて、その誘電体材料に湾曲表面を形成することも可能である。
【００１４】
輪郭形成損失制御層には、代わりに、光学軸においてｍλ／２ｎ4の厚さを備え、光学軸と輪郭形成損失制御層の周辺部との間で厚さが約±λ／４ｎ4だけ漸進的に変化する反射防止層層を含むことも可能である。ここで、λは発光領域に発生した光の波長であり、ｍは偶数であり、ｎ4は反射防止材料の屈折率である。輪郭形成損失制御層の周辺部は、光学空洞の側方限界に隣接している。
【００１５】
誘電体ミラーには、高屈折率の誘電体材料と、高屈折率の誘電体材料より低い屈折率の低屈折率誘電体材料の交互層を含むことが可能である。
【００１６】
輪郭形成損失制御層の反射防止材料は、低屈折率の誘電体材料の屈折率よりも高屈折率の誘電体材料の屈折率に近い屈折率を備えることが可能であり、この場合、輪郭形成損失制御層の厚さは光学軸において約ｍλ／２ｎ4である。代替案として、輪郭形成損失制御層の反射防止材料は、高屈折率の誘電体材料の屈折率よりも低屈折率の誘電体材料の屈折率に近い屈折率を備えることが可能であり、この場合、輪郭形成損失制御層の厚さは光学軸において約ｐλ／４ｎ4になる。ここで、ｐは奇数である。
【００１７】
最後に、本発明によれば、光学損失を生じる光学空洞と、反射防止材料の輪郭形成損失制御層を含む垂直共振型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が得られる。光学空洞には、第１のミラー領域、第２のミラー領域、光学軸に対して垂直な面発光領域、及び、面発光領域の平面における光学空洞の側方限界を形成する素子が含まれている。第１のミラー領域及び第２のミラー領域は、伝導性で、逆の伝導モードを有している。第１のミラー領域は、直列に構成された多層伝導性ミラーと、多層誘電体層が含まれている。伝導性ミラーと第２のミラー領域の間には、面発光領域が挟まれている。伝導性ミラーと誘電体ミラーとの間には、輪郭形成損失制御層が挟まれており、その厚さは、光学軸と輪郭形成損失制御層の周辺部との間で約±λ／４ｎ4だけ漸進的に変化する。
【００１８】
誘電体ミラーには、高屈折率の誘電体材料と、高屈折率の誘電体材料の屈折率より低い屈折率を備えた低屈折率の誘電体材料の交互層を含むことが可能である。輪郭形成損失制御層の反射防止材料は、低屈折率の誘電体材料の屈折率より高屈折率の誘電体材料の屈折率に近い屈折率を備えることが可能であるが、この場合、輪郭形成損失制御層の厚さは光学軸において約ｍλ／２ｎ4になる。代替案として、輪郭形成損失制御層の反射防止層は、高屈折率の誘電体材料の屈折率より低屈折率の誘電体材料の屈折率に近い屈折率を備えることが可能であるが、この場合、輪郭形成損失制御層の厚さは光学軸において約ｐλ／４ｎ4になる。
【００１９】
【実施例】
図１Ａには、本発明による垂直共振型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の第１の実施例１０１が示されている。ＶＣＳＥＬ１０１は、光学軸１０５に沿って放射される光を発生する。ＶＣＳＥＬの場合、光学空洞１０３には、下方ミラー領域１０７と、下方ミラー領域とは逆の伝導モードを有する上方ミラー領域１１１が含まれている。光学空洞には、光学軸に対して垂直な、下方ミラー領域と上方ミラー領域の間に挟まれた面発光領域１０９を含むことも可能である。最後に、光学空洞は、上方ミラー領域においてコア・ゾーン１１５を包囲する低反射率ゾーン１１３を含んでいる。低反射率ゾーンは、光学軸に対して側方向γに光学空洞の限界を形成している。
【００２０】
ＶＣＳＥＬ１０１には、さらに、光学空洞１０３に結合された損失決定素子１１７が含まれている。損失決定素子は、側方向γにおいて光学軸１０５からの距離が増すのに応じて光学空洞の光学損失を漸進的に増大させる。
【００２１】
ＶＣＳＥＬにおける単モード動作は、光学軸に近接して生じ、一方、マルチモード動作は、光学軸から側方により遠隔の位置において生じる。光学軸から側方により遠隔の位置において、光学空洞１０３の光学損失が増すと、マルチモード動作の開始に必要なキャリア密度のしきい値が大幅に増大する。損失決定素子１１７は、少なくとも、ＶＣＳＥＬ１０１におけるマルチモード動作の開始を遅延させるので、ＶＣＳＥＬによって発生することが可能な最大単モード光強度が大幅に増すことになる。
【００２２】
図１Ａに示す本発明によるＶＣＳＥＬの第１の実施例において、損失決定素子１１７には、輪郭形成損失制御層１１９が含まれる。損失制御層は、上方ミラー領域１１１から遠隔の、損失制御層の表面１２１における凹状表面１２３によって輪郭が形成されている。図１Ａに示す実施例の場合、輪郭形成損失制御層は、ＶＣＳＥＬ１０１によって発生する光に対して透明な半導体材料から形成される。他の形態の損失決定素子を備える他の実施例については、以下で述べることにする。
【００２３】
次に、本発明によるＶＣＳＥＬの第１の実施例についてさらに詳細に述べることにする。図１Ａには、光学軸１０５の平面における、発光領域１０９の平面に対して垂直なＶＣＳＥＬの断面図が示されている。留意すべきは、図がＶＣＳＥＬを一定の拡大率で示していないという点である。基板１２７を除いたＶＣＳＥＬの全ての層の厚さは、層をより明瞭に示すため、拡大されている。実際の装置の場合、基板の厚さは、約５００μｍであるが、下方ミラー領域及び上方ミラー領域１０７及び１１１と活性領域１２５を組み合わせた厚さは、約６〜７μｍである。電極１３１における発光ポート１２９は、直径が一般に約１０μｍである。さらに、ミラー領域１０７及び１１１のそれぞれには、一般に、数十の層が含まれているが、その大部分は、図面を単純化するため、図面におけるこれらの領域の描写から省略されている。最後に、本説明において、上方及び下方という用語は、それぞれ、特定の空間配向を示すためにではなく、基板１２７に対する個々の素子の遠隔または近接を表すために用いられる。
【００２４】
ＶＣＳＥＬ１０１は、波長が真空中においてλか、あるいは、空気中において約λの光を放出するような構造をなしている。ＶＣＳＥＬの場合、光学空洞１０３は、下方ミラー領域１０７と上方ミラー領域１１１の間に挟まれた活性領域１２５によって構成され、その側方限界は、上方ミラー領域における低反射率ゾーン１１３によって形成される。上方及び下方ミラー領域の材料には、それらを電気的に伝導性にするのに適したドーパントがドープされている。下方及び上方ミラー領域１０７及び１１１の一方に、ｐタイプのドーパントがドープされ、そのもう一方には、ｎタイプのドーパントがドープされるので、ミラー領域１０７及び１１１と活性領域の発光領域１０９が、集合的に、ｐ−ｉ−ｎまたはｎ−ｉ−ｐダイオードを形成する。
【００２５】
下方及び上方ミラー領域１０７及び１１１は、図１Ａに示す分布式ブラッグ・リフレクタは、例えば、高屈折率と低屈折率が交互になった、層１３３及び１３５のような、薄い半導体または誘電体層の周期構造を備えている。例えば、下方ミラー領域１０７を構成する分布式ブラッグ・リフレクタは、できれば、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）または金属・有機化合物蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって、基板１２７上にエピタキシャル成長させた３２．５対をなすＡｌＧａＡｓとＡｌＡｓの交互層から構成することが可能である。上方ミラー領域１１１を構成する分布式ブラッグ・リフレクタは、２０対をなすＡｌＧａＡｓとＡｌＡｓの交互層から構成することが可能である。上方ミラー領域１１１は、やはり、できればＭＢＥまたはＭＯＣＶＤによって、活性領域１２５上に成長させられる。分布式ブラッグ・リフレクタの各層は、物理的厚さがｑλ／４ｎ1であり、ここで、ｎ1は層の屈折率、ｑは奇数である。
【００２６】
発光領域１０９は、活性領域１２５の中心に配置される。好適には、発光領域１０９には、それぞれ、量子井戸と障壁層から構成される、いくつかの量子井戸構造（不図示）が含まれている。量子井戸は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）の層であることが望ましく、障壁層はＡｌＧａＡＳの層であることが望ましい。各量子井戸構造は、約８０オングストロームの厚さであることが望ましい。
【００２７】
活性領域１２５は、物理的全厚がλ／２ｎ2の整数倍に等しく、ここで、ｎ2は、活性領域の材料の平均屈折率である。活性領域は、下方クラッディング層１３７、上方クラッディング層１３９、及び、下方クラッディング層と上方クラッディング層の間に挟まれた発光領域１０９から構成される。クラッディング層は、下方及び上方ミラー領域１０７及び１１１の隣接層の屈折率とは異なる屈折率を備えた半導体材料の層である。クラッディング層１３７及び１３９は、例えば、ＡｌＧａＡｓの層とすることが可能である。クラッディング層には、それぞれ、隣接ミラー領域と同じ伝導モードになるようにドープされる。
【００２８】
下方及び上方ミラー領域１０７及び１１１を構成する分布式ブラッグ・リフレクタの層、例えば、１３３及び１３５は、発光領域１０９に発生した光の大部分を活性領域１２５に反射する。分布式ブラッグ・リフレクタの層内における波の干渉によって、波長λの定在波が減少する。上方ミラー領域１１１を構成する分布式ブラッグ・リフレクタの反射率をを全反射未満にすることによって、波長がλのコヒーレントな光が、発光領域１０９の平面に垂直な方向において光学軸１０５に沿って放出される。
【００２９】
ＶＣＳＥＬ１０１は、基板１２７の表面１４１に一連の層を被着させることによって形成される。
【００３０】
発光領域１０９の平面における光学空洞１０３の側方限界は、上方ミラー領域１１１の低反射率ゾーン１１３によって形成される。低反射率ゾーンの反射率は、極めて低いので、低反射率ゾーンの下に位置する、誘導放出による発光を生じるための発光領域の一部に戻される反射光が不十分になる。従って、低反射率ゾーンは、光学空洞１０３の側方限界を形成する。この限界は、コア・ゾーン１１５と低反射率ゾーンの間の境界１５９にほぼ一致する。
【００３１】
上方ミラー領域１１１の導電率は、コア・ゾーン１１５よりも低反射率ゾーン１１３のほうが低い。従って、上方ミラー・ゾーンを通って流れるレーザ電流の側方限界は、低反射率ゾーンによってコア・ゾーンに制限される。低反射率ゾーンによって、活性領域１２５に流入するレーザ電流の側方限界もコア・ゾーンとほぼ長さのゾーンに制限される。
【００３２】
低反射率ゾーン１１３は、好適には、水素イオンを用いて実施する、イオン衝撃によって上方ミラー領域１１１に形成される。ヘリウムまたは酸素のような他の適合する元素のイオンを代用することも可能である。イオン衝撃によって結晶構造が破壊されるので、低反射率ゾーンは、通常、活性領域１２５内にまで延びず、図示のように上方ミラー領域内において途中で止める。
【００３３】
代替案として、上方ミラー領域１１１の少なくとも１つの層にコア・ゾーンを包囲する自然酸化物領域（native oxide region）を形成することによって、低反射率ゾーンを形成することが可能である。
【００３４】
図１Ａに示す実施例の場合、損失決定素子１１７は、輪郭形成損失制御層１１９から構成される。損失制御層は、上方ミラー領域１１１から遠隔の損失制御層の表面１２１に形成される凹状表面１２３によって輪郭が形成される。輪郭形成損失制御層は、凹状表面の中心が光学軸１０５上にくるようにして、上方ミラー領域の表面１４７上に配置される。輪郭形成損失制御層は、活性領域１２５に発生する光に対して透明な半導体材料の層である。例えば、近赤外領域で動作するＶＣＳＥＬの場合、輪郭形成損失制御層は、上方ミラー領域１１１の表面１４７にエピタキシャル成長させたガリウム砒素（ＧａＡｓ）の層であることが望ましい。他の波長で光を発生するＶＣＳＥＬであれば、他の半導体材料のほうが適しているかもしれない。
【００３５】
輪郭形成損失制御層１１９の材料は、上方ミラー領域１１１に対するドーピングに用いられるのと同じモードのドーパントで多量にドープされる。輪郭形成損失制御層は、無視できるほどの電圧降下で、電極１３１を介して供給されるレーザ電流をコア・ゾーン１１５に伝導できるようにドープされる。
【００３６】
輪郭形成損失制御層１１９の厚さは、凹状表面１２３の寸法によって決まり、輪郭形成損失制御層の厚さは、凹状表面に十分に適応しなければならない。凹状表面の中心とコア・ゾーン１１５の境界１５９の上に重なる凹状表面の一部との間で光学軸に沿って測定される凹状表面の深さは、λ／４ｎをはるかに超える。ここで、ｎは輪郭形成損失制御層の半導体材料の屈折率である。
【００３７】
輪郭形成損失制御層１１９の凹状表面１２３は、光学空洞１０３の光を屈折する働きと、光学空洞の光を側方に拡散させるか、焦点をずらす働きの両方を行う。凹状表面による光学空洞の光の屈折によって、側方向γにおける光学軸１０５からの距離が増すのに応じて増大する屈折損失が光学空洞に加えられる。側方向γにおける光学軸１０５からの距離が増すのに応じて増大する屈折損失のために、高次モードに関して光学空洞の屈折損失が増大し、従って、高次モードに関して光学空洞１０３の光学損失が増大することになる。高次モードに関して光学空洞１０３の光学損失が増大することによって、高次モードの動作の開始に必要とされるしきい値キャリア密度が大幅に高くなる。さらに、凹状表面１２３による光学空洞１０３の光の拡散または集束ずれのために、ＶＣＳＥＬ１０１のモード・ボリュームが増大する。この結果、マルチモード動作の開始前にＶＣＳＥＬによって発生可能な出力パワーがさらに増大する。従って、輪郭形成損失制御層の凹状表面は、ＶＣＳＥＬ１０１によって発生可能な最大単モード・パワーを増大させることになる。
【００３８】
電極１３１は、輪郭形成損失制御層１１９の半導体材料の伝導モードに適合するタイプの金属化電極であり、輪郭形成損失制御層の表面１２１に配置され、上方ミラー領域１１１から遠隔で、光学軸１０５上に中心がくるように配置される。電極１３１は、ＶＣＳＥＬによって発生する光が放出される発光ポート１２９を含むように形成される。発光ポートは、やはり、光学軸の中心に位置し、凹状表面１２３を包囲する。
【００３９】
電極１４３は、基板１２７の背面１４５に配置されており、基板の伝導モードに適合するタイプの金属化電極である。
【００４０】
損失決定素子１１７、上方ミラー領域１１１、及び、上方クラッディング層１３９は、全て、ｎタイプのドーパントがドープされており、下方クラッディング層１３７及び下方ミラー領域１０７は、両方とも、ｐタイプのドーパントがドープされている。基板１２７は、ｐタイプ表面層１４１を備えるｎタイプのＧａＡｓウェーハであって、表面層とウェーハの間に逆バイアス・トンネル接合（不図示）が設けられていることが望ましい。
【００４１】
図１Ｂには、図１Ａに示す実施例のバリエーションが示されている。図１Ａの構成要素に対応する図１Ｂの構成要素は、同じ参照番号で表示されており、ここでは再度の説明は控えることにする。また、上方ミラー領域１１１の上方部分の下にあるＶＣＳＥＬの構成要素も、やはり、図１Ａに示す実施例の対応する構成要素と同一であるため、図１Ｂから省略されている。
【００４２】
図１Ｂに示す本発明によるＶＣＳＥＬ１０１Ｂの実施例の場合、損失決定素子１１７Ｂには、輪郭形成損失制御層１１９Ｂが含まれている。損失制御層は、上方ミラー領域１１１から遠隔の、表面１２１Ｂにおける凹状表面１２３Ｂによって輪郭が形成される。図１Ｂに示す実施例の場合、輪郭形成損失制御層は、ＶＣＳＥＬ１０１Ｂによって発生する光に対して透明な誘電体材料から形成される。損失制御層１１９Ｂは、凹状表面１２３Ｂの中心が光学軸１０５上にくるようにして、上方ミラー領域１１１の表面１４７に配置される。表面１４７は、活性領域１２５（図１Ａ）から遠隔の上方ミラー領域の表面である。輪郭形成損失制御層の一部は、やはり、上方ミラー領域の表面１４７上にある電極１３１Ｂの上に重なる。
【００４３】
輪郭形成損失制御層は、活性領域１２５（図１Ａ）に発生する光に対して透明な誘電体材料の層である。例えば、誘電体材料は、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、または、二酸化珪素（ＳｉＯ2）または二酸化チタン（ＴｉＯ2）といった他の適合する誘電体材料とすることが可能である。
【００４４】
輪郭形成損失制御層１１９Ｂの厚さは、凹状表面１２３Ｂの寸法によって決まり、輪郭形成損失制御層の厚さは、凹状表面に十分に適応しなければならない。凹状表面の中心と、コア・ゾーン１１５の境界１５９の上に重なる凹状表面の一部との間で光学軸に沿って測定される凹状表面の深さは、λ／４ｎをはるかに超える。ここで、ｎは輪郭形成損失制御層１１９Ｂの半導体材料の屈折率である。実験装置の場合、輪郭形成損失制御層は、厚さ約１μｍの窒化珪素の層に凹状表面１２３Ｂを形成することによって作製された。
【００４５】
輪郭形成損失制御層１１９Ｂの凹状表面１２３Ｂは、図１Ａに関連して上述の凹状表面１２３と同様、光学空洞１０３の光を屈折する働きと、光学空洞の光を側方に拡散させるか、焦点をずらす働きの両方を行う。輪郭形成損失制御層１１９Ｂによって、光学軸からの側方距離が増すにつれて増大する光学空洞の光学損失が生じる。
【００４６】
電極１３１Ｂは、上方ミラー領域１１１の伝導モードに適合するタイプの金属化電極である。輪郭形成損失制御層１１９Ｂの誘電体材料は絶縁性のため、電極１３１Ｂは、活性領域（不図示）から遠隔の上方ミラー領域１１１の表面１４７に配置される。電極１３１Ｂは、中心が光学軸１０５上に位置し、上方ミラー領域のコア・ゾーン１１５に部分的に重なっている。電極１３１Ｂは、ＶＣＳＥＬ１０１Ｂによって発生する光が放出される発光ポート１２９Ｂを含むように形成されている。発光ポートは、やはり、光学軸上に中心がくる。
【００４７】
ＶＣＳＥＬによって発生可能な最大単モードパワーの増大における損失決定素子の有効性は、損失決定素子によって加えられる側方距離に依存した損失を被る、光学空洞内の光の比率によって決まる。この比率は、発光領域と損失決定素子との間に介在する上方ミラー領域の反射率によって決まる。典型的な従来の上部発光ＶＣＳＥＬの上方ミラー領域には、約２０対の層が含まれており、反射率は１に近い。これは、損失決定素子によって加えられる側方距離に依存した損失を被る、光学空洞内の光の比率が、極めて小さいことを表している。結果として、最大単モード・パワーを増大させる損失決定素子の完全なポテンシャル(potential)は、上方ミラー領域が従来の高反射率を備えている場合、十分には実現されない。
【００４８】
図１Ａに示す実施例の場合、ＶＣＳＥＬの最大単モードパワーを増大させる損失決定素子１１７のポテンシャルは、上方ミラー領域１１１からわずかな対をなす層を省略して、その反射率を低下させることによって、より十分に実現することが可能である。これによって、損失決定素子によって加えられる側方距離に依存した損失を被る、光学空洞１０３内の光の比率が高くなり、損失決定素子の有効性が増す。しかし、この損失決定素子の有効性の向上は、光学空洞における全光学損失の増大という犠牲を払って実現される。光学空洞において全光学損失が増すと、ＶＣＳＥＬのしきい値電流が増大する。しきい値電流は、レーザ作用が生じるレーザ電流の最小値である。約４対を超える層が上方ミラー領域から除去されると、しきい値電流が許容できないほど大きくなる可能性がある。
【００４９】
図２には、本発明によるＶＣＳＥＬの第２の実施例２０１が示されている。第２の実施例は、図１Ａに示す第１の実施例に基づくものである。
【００５０】
図１Ａに示す第１の実施例と比較すると、図２に示すＶＣＳＥＬの構造は、増大するしきい値電流の望ましくない副作用を伴わずに、ＶＣＳＥＬによって発生する最大単モード・パワーを増大させる、損失決定素子のポテンシャルのいっそうの強化を実現できるようにする。図１Ａの構成要素に対応する図２の構成要素は、同じ参照番号によって表示されており、ここでは再度の説明は控えることにする。また、上方ミラー領域２１１の上方部分の下にあるＶＣＳＥＬの構成要素も、やはり、図１Ａに示す実施例の対応する構成要素と同一であるため、図２から省略されている。
【００５１】
図２に示す実施例の場合、上方ミラー領域２１１は、直列に配置された２つのミラー素子、すなわち、誘電体ミラー２４９及び伝導性ミラー２６５から構成される。ミラー素子は、両方とも、上方ミラー領域の反射率に影響を及ぼす。上方ミラー領域２１１の２素子構造によって、伝導性ミラーの反射率が、図１Ａに示す実施例の上方ミラー領域よりも低い場合であっても、光学空洞１０３の光学損失を少なくすることが可能になる。上方ミラー領域２１１の２素子構造によって、光学空洞１０３内の光の大部分が、損失決定素子２１７による側方距離に依存した屈折及び側方拡散または集束ずれを被ることになる。上方ミラー領域２１１の２素子構造によって、しきい値電流を増大させることなく、ＶＣＳＥＬによって発生する最大単モード強度を増大させる、損失決定素子のポテンシャルのいっそうの強化を実現することが可能になる。
【００５２】
伝導性ミラー２６５は、構造的に、図１Ａに示す実施例の上方ミラー領域と同様であるが、その反射率を低下させるため、層１３３及び１３５（図１）のような対をなす層が少ない点が異なっている。例えば、該伝導ミラーは、一般に、しきい値電流が同じである従来のＶＣＳＥＬの上方ミラー領域よりも６〜１０対だけ層を減らすことが可能である
【００５３】
誘電体ミラー２４９は、高屈折率と低屈折率が交互になった、例えば、層２５１及び２５３のような、薄い誘電体層の周期的構造を備えている。各層は、厚さがｑλ／４ｎ3であるが、ここで、ｎ3は該層の誘電体の屈折率であり、ｑは奇数である。好適には、誘電体ミラーは、二酸化珪素ＳｉＯ2と二酸化チタンＴｉＯ2の交互層、または、二酸化珪素ＳｉＯ2と窒化珪素Ｓｉ3Ｎ4の交互層から形成される。代替案として、誘電体ミラーは、他の適合する対をなす誘電体材料または半導体材料の交互層から形成することも可能である。
【００５４】
誘電体ミラー２４９における層２５１及び２５３のような対をなす層の数は、伝導性ミラーの相対的に低い反射率にもかかわらず、誘電体ミラーに対して、上方ミラー領域２１１が、ＶＣＳＥＬ２０１のしきい値電流を許容可能な低い値にセットする総合反射率を備えるのに十分な反射率を付与する数であることが望ましい。例えば、誘電体ミラーにおける層数によって、結果として、従来のＶＣＳＥＬの上方ミラー領域の反射率に近似する総合反射率を備えた上方ミラー領域２１１をもたらす反射率が、誘電体ミラーに対して付与される場合には、従来のＶＣＳＥＬのしきい値電流と同様のしきい値電流を得ることが可能である。
【００５５】
損失決定素子２１７は、伝導性ミラー２６５と誘電体ミラー２４９の間に挟まれた輪郭形成損失制御層１１９から構成される。輪郭形成損失制御層は、伝導性ミラー２６５から遠隔の、表面１２１の凹状表面１２３によって輪郭が形成される。図２に示す実施例の場合、輪郭形成損失制御層は、ＶＣＳＥＬ２０１によって発生する光に対して透明な半導体材料の層である。輪郭形成損失制御層は、活性領域（不図示）から遠隔の、伝導性ミラーの表面２４７に配置される。誘電体ミラー２４９は、輪郭形成損失制御層の凹状表面に配置される。
【００５６】
上方ミラー領域２１１を２つの素子、すなわち、伝導性ミラー２６５及び誘電体ミラー２４９に分割することによって、損失決定素子２１７の有効性が増し、ＶＣＳＥＬ２０１は、図１Ａに示す実施例によって生じる最大単モード強度を超える最大単モード強度を発生することが可能になる。
【００５７】
図１Ｂに示すバリエーションは、上述と同様のやり方で修正を施し、損失決定素子１１７Ｂの有効性を増すことが可能である。
【００５８】
図２に示す実施例、及び、誘電体ミラー２４９が上方ミラー領域２１１の反射率を増強する、図１Ｂに示す実施例の上述のバリエーションの製作は、多層伝導性ミラー２６５を単一層の半導体に置き換えることによって簡略化が可能である。これに関するもう１つの利点は、半導体の層と輪郭形成損失制御層との界面によって反射される光と誘電体ミラーによって反射される光との間の干渉が、多層伝導性ミラーによって反射される光と湾曲表面１２３によって反射される光との間の干渉よりもはるかに弱いということである。干渉が強いと、ニュートンの環タイプの干渉パターンを生じる可能性がある。半導体層は、厚さがλ／２ｎ6の整数倍であり（ここで、ｎ6は、半導体層の材料の屈折率である）、その伝導性を高めるためドープされている。半導体層は、屈折率が半導体ミラーよりもはるかに低く、誘電体ミラーによって、上方ミラー領域２１１の反射率のほぼ全てが得られる。
【００５９】
本発明によるＶＣＳＥＬのもう１つの実施例が、図３Ａ及び３Ｂと図４Ａ〜４Ｄに示されている。それぞれの損失決定素子１１７が、屈折及び側方拡散または集束ずれによって、光学軸１０５からの側方距離が増すのに応じて増大する光学損失を生じさせる働きをする、図１Ａ、１Ｂ、及び、２に示す実施例とは対照的に、図３Ａ及び３Ｂと図４Ａ〜４Ｄに示す実施例の損失決定素子３１７及び４１７は、それぞれ、反射によって、光学軸からの側方距離につれて増大する光学損失を生じさせる働きをする。
【００６０】
まず、図３Ａ及び３Ｂに示す実施例について説明する。図１Ａにおける構成要素に対応する図３Ａ及び３Ｂの構成要素は、同じ参照番号で表示されているので、ここでは再度の説明は控えることにする。図３Ａ及び３Ｂに示す実施例の対応する構成要素は、それぞれ、文字ＡまたはＢを付加した同じ参照番号で表示される。対応する文字のないこうした参照番号の表示は、両実施例におけるそれぞれの構成要素に当てはまるものとみなす。例えば、輪郭形成損失制御層３１９と称する場合、図３Ａに示す輪郭形成損失制御層３１９Ａと図３Ｂに示す輪郭形成損失制御層３１９Ｂの両方に当てはまるものとみなされる。上方ミラー領域３１１の上部の４つの層の下にあるＶＣＳＥＬの構成要素は、図１Ａに示す実施例の対応する構成要素と同じであるため、図３Ａ及び３Ｂから省略されている。
【００６１】
まず、図３Ａ及び３Ｂに示す実施例に共通した特徴について説明する。ＶＣＳＥＬ３０１Ａ及び３０１Ｂの場合、損失決定素子３１７は、電極３３１の発光ポート３２９内において、上方ミラー領域３１１の表面３４７に配置される。損失決定素子は、輪郭形成損失制御層３１９から構成される。輪郭形成損失制御層は、光学軸１０５上に中心がくる湾曲表面３２３によって輪郭が形成された反射防止材料の層である。輪郭形成損失制御層の輪郭形成によって、光学軸からの側方距離が増すにつれて、上方ミラー領域の反射率が漸進的に低下する。光学軸において、輪郭形成損失制御層の厚さは約ｍλ／４ｎ4であるが、ここで、ｍは偶数であり、ｎ4は輪郭形成損失制御層の反射防止材料の屈折率である。湾曲表面３２３のために、輪郭形成損失制御層の厚さは、光学軸からの側方距離が増すのに応じて漸進的に増すか（図３Ａ）、あるいは、減る（図３Ｂ）ので、周辺部３５７における輪郭形成損失制御層の厚さは、光学空洞における厚さと約±λ／４ｎ4だけ異なることになる。周辺部３５７は、光学軸１０３の側方限界に隣接した輪郭形成損失制御層の一部である。光学空洞の側方限界は、コア・ゾーン１１５と低屈折率ゾーン１１３との境界１５９にほぼ一致する。図３Ａ及び３Ｂに示す実施例の場合、周辺部は、図示のように、輪郭形成損失制御層と環状電極３３１との境界に位置している。代替案として、周辺部は、さらに、境界１５９から光学軸に向かって入り込ませることもできるし、あるいは、境界１５９の外側に短い距離をおいて配置することも可能である。
【００６２】
環状電極３３１は、コア・ゾーン１１５に部分的に重なる上方ミラー領域３１１の表面に配置される。上方ミラー領域３１１には、電流拡散層３５５を含むことが望ましい。これによって、環状電極が、コア・ゾーンよりもはるかに導電率が低い低反射率ゾーン１１３にほぼ重なる場合であっても、レーザ電流は、最小限の電圧降下で、環状電極３３１と活性領域（不図示）を通ることが可能になる。電流拡散層を構成する上方ミラー領域の１つ以上の層の半導体材料が、電流拡散層の導電性を高めるため、上方ミラー領域の残りの部分の半導体材料と同じモードのドーパントを多量にドープされる。
【００６３】
輪郭形成損失制御層３１９の反射防止材料は、屈折率ｎ4＝（ｎ5ｎ0）1/2の透明な誘電体であり、ここで、ｎ5は上方ミラー領域３１１の最上部層、すなわち、電流拡散層３５５の材料の屈折率であり、ｎ0は、湾曲表面３２３と境界をなす媒体の屈折率である。この媒体は、通常、空気、ある種の不活性ガス、または、真空である。本開示において、「空気」と称する場合、「ガス」及び「真空」も包含するものとみなされる。ガリウム砒素電流拡散層の場合、反射防止材料の屈折率は、１．９〜２．０である。この範囲の屈折率を有する誘電体には、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）及び二酸化チタン（ＴｉＯ2）が含まれる。所望の屈折率が得られるようにｘ値を調整した酸化珪素ＳｉＯxを利用することも可能である。
【００６４】
図３Ａに示す実施例の場合、輪郭形成損失制御層３１９Ａは、光学軸１０５における厚さがほぼゼロ（ｍ＝０）である。輪郭形成損失制御層の湾曲表面３２３Ａは、凹状であり、このため、輪郭形成損失制御層の厚さは、光学軸からの側方距離の延長に応じて漸進的に減少し、周辺部３５７においてλ／４ｎ4の厚さに達する。
【００６５】
次に、まず図５に示す従来のＶＣＳＥＬを参照して、損失決定素子３１７が、側方向γにおける光学軸１０５からの距離の延長に応じて光学空洞１０３の光学損失を増大させる方法について述べることにする。図１Ａの構成要素に対応する図５の構成要素は、同じ参照番号で表示されているので、ここでは再度の説明は控えることにする。また、上方ミラー領域における上部３層の下にある従来のＶＣＳＥＬの構成要素も、やはり、図１Ａに示す本発明によるＶＣＳＥＬの実施例における対応する構成要素と同一であるため、図５から省略されている。
【００６６】
図５には、本発明によるＶＣＳＥＬと同様であるが、損失決定素子のない構造を備えた従来のＶＣＳＥＬ１０が示されている。ＶＣＳＥＬ１０の場合、表面部分６１は空気にさらされている。表面部分６１は、電極３１の発光ポート２９内における上方ミラー領域１１の表面４７の一部である。光は、表面部分６１における半導体と空気の境界によって反射される。表面部分６１の反射率は、上方ミラー領域の対をなす層１３３及び１３５のような４対の層の反射率にほぼ等しく、従って、上方ミラー領域の反射率にかなりの影響を及ぼす。このため、光学空洞１０３の光学損失は、表面部分６１の反射率によって決まる。
【００６７】
次に図３Ａ及び３Ｂに戻ると、輪郭形成損失制御層３１９は、光学軸１０５における厚さがｍλ／４ｎ4であり（ここで、ｍは偶数である）、湾曲表面３２３のために、厚さは、光学軸からの側方距離が増すのに応じて漸進的に増すか、あるいは、減るので、周辺部３５７における輪郭形成損失制御層の厚さは、光学軸における厚さと約±λ／４ｎ4だけ異なることになる。光学軸におけるこの輪郭形成損失制御層の厚さのため、湾曲表面３２３によって反射される光は、上方ミラー領域３１１によって反射される光と同相になり、光学軸における上方ミラー領域の反射率は、表面部分３６１に通常の反射率の半導体・空気界面が存在する場合とほぼ同じである。従って、光学軸において、輪郭形成損失制御層が、上方ミラー領域の反射率、従って、光学空洞１０３の光学損失に対して及ぼす効果は無視することができる。
【００６８】
周辺部３５７における輪郭形成損失制御層３１９の厚さのため、凹状表面３２３において反射される光は、上方ミラー領域３１１によって反射される光と逆相になる。輪郭形成損失制御層によって、周辺部３５７の下に位置する表面部分３６１の一部による反射がほぼ排除され、このため、周辺部の下に位置する上方ミラー領域の一部の反射率が低下する。従って、輪郭形成損失制御層によって、周辺部３５７の下に位置する光学空洞の一部の光学損失が、光学軸１０５における光学空洞の光学損失より大きくなる。
【００６９】
光学軸１０５と周辺部３５７の間における輪郭形成損失制御層３１９の厚さは、±λ／４ｎ4だけ漸進的に変化する。結果として、湾曲表面３２３によって反射される光と上方ミラー領域３１１によって反射される光の位相差は、光学軸からの側方距離の延長に応じて、０゜から１８０゜まで漸進的に変化する。従って、光学軸からの側方距離が増すのに応じて、上方ミラー領域３１１の反射率は、図３Ｃの曲線３８６によって示されるように、光学軸における最大値から周辺部３５７における最小値まで漸進的に降下し、光学空洞１０３の光学損失は、光学軸における最小値から周辺部３５７における最大値まで漸進的に増大する。光学軸からの側方距離の延長に応じた光学空洞における光学損失の増大は、ＶＣＳＥＬ３０１の軸上における単モード動作が好ましいということと、軸を外れたマルチモード動作のしきい値が大幅に増大するということを表している。
【００７０】
図１Ａ及び１Ｂに示す実施例の場合のように、図３Ａ及び３Ｂに示す実施例の単モード出力パワーは、損失決定素子３１７が、従来のＶＣＳＥＬと同様の反射率を備える上方ミラー領域、あるいは、その反射率が約４対より少ない層を除去することによって低下した上方ミラー領域に配置されたとしても、従来のＶＣＳＥＬよりも大きい。しかし、図２に示す実施例と同様、損失決定素子の有効性は、上方ミラー領域を直列構成をなす２つのミラー素子に分割し、損失決定素子がそれらの間に挟まれるようにすることによって増すことが可能である。上方ミラー領域は、対をなす層が従来のＶＣＳＥＬの上方ミラー領域よりかなり少ない伝導性ミラーと、上方ミラー領域における反射率をしきい値電流が同じである従来のＶＣＳＥＬの上方ミラー領域における反射率にまでほぼ回復する誘電体ミラーに分割される。
【００７１】
図４Ａ〜４Ｄには、上方ミラー領域が２つの素子に分割された、図３Ａ及び３Ｂに示す実施例のバリエーションが示されている。
【００７２】
図３Ａ及び３Ｂに示す実施例と比較すると、図４Ａ〜４Ｄに示すＶＣＳＥＬの構造によって、増大するしきい値電流の望ましくない副作用を伴うことなく、ＶＣＳＥＬによって発生する最大単モード・パワーを増大させる、損失決定素子４１７のポテンシャルのいっそうの強化が実現可能になる。図１Ａ、３Ａ、及び、３Ｂの構成要素に対応する図４Ａ〜４Ｄの構成要素は、同じ参照番号によって表示されており、ここでは再度の説明は控えることにする。図４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、及び、４Ｄに示す実施例における対応する構成要素は、それぞれ、文字Ａ、Ｂ、Ｃ、または、Ｄを付加した同じ参照番号を利用して表示されている。対応する文字のないこうした参照番号の表示は、４つの実施例の全てにおけるそれぞれの構成要素に当てはまるものとみなす。最後に、上方ミラー領域の上方部分の下にあるＶＣＳＥＬの構成要素は、図１Ａに示す実施例の対応する構成要素と同一であるため、図４Ａ〜４Ｄから省略されている。
【００７３】
まず、図４Ａ〜４Ｄに示す実施例に共通した特徴について説明する。図４Ａ〜４Ｄに示す実施例の場合、上方ミラー領域４１１は、直列に配置された２つのミラー素子、すなわち、誘電体ミラー４４９と伝導性ミラー４６５から構成される。両方のミラー素子とも、上方ミラー領域の反射率に影響を及ぼす。上方ミラー領域の該２素子構造によれば、伝導性ミラーの反射率が、しきい値電流がほぼ同じである従来のＶＣＳＥＬの上方ミラー領域よりはるかに低い場合であっても、光学軸における光学空洞１０３の光学損失を少なくすることが可能になる。また、上位ミラー領域４１１の２素子構造によって、光学空洞１０３の光の大部分が損失決定素子４１７による側方距離に依存した反射にさらされることになる。従って、上位ミラー４１１の２素子構造によって、しきい値電流を増大させることなく、ＶＣＳＥＬによって発生する最大単モード強度を増大させる、損失決定素子のポテンシャルのいっそうの強化が実現される。
【００７４】
伝導性ミラー４６５は、構造的に、図１Ａに示すＶＣＳＥＬ１０１の上位ミラー領域と同様であるが、その反射率を低下させるため、層１３３及び１３５（図１Ａ）のような対をなす層が少なくなっている点が異なっている。例えば、伝導性ミラーの層数は、一般に、しきい値電流の値がほぼ同じであるＶＣＳＥＬ１０１の実施例の上位ミラー領域に比べて、６〜１０対少なくなるようにすることが可能である。
【００７５】
誘電体ミラー４４９は、高い屈折率（例えば、層４５１）と低い屈折率（例えば、層４５３）が交番する、誘電体層の周期構造を備えている。各層の厚さはλ／４ｎ3であり、ここで、ｎ3は誘電体層の材料の屈折率である。誘電体ミラーは、二酸化珪素ＳｉＯ2と二酸化チタンＴｉＯ2の交互層、または、二酸化珪素ＳｉＯ2と窒化珪素Ｓｉ3Ｎ4の交互層から形成するのが望ましい。代替案として、誘電体ミラーは、他の適合する誘電体材料または半導体材料の対をなす交互層から形成することも可能である。
【００７６】
誘電体ミラー４４９における層４５１及び４５３のような対をなす誘電体層の数は、伝導性ミラーの反射率が、従来のＶＣＳＥＬの上位ミラー領域の反射率と比較して低いにもかかわらず、誘電体ミラーに対して、光学軸１０５における上方ミラー領域４１１の総合反射率が、しきい値電流がほぼ同じである従来のＶＣＳＥＬの反射率とほぼ同じになるような、反射率を付与する数であることが望ましい。
【００７７】
損失決定素子４１７は、伝導性ミラー４６５と誘電体ミラー４４９に挟まれた輪郭形成損失制御層４１９から構成される。輪郭形成損失制御層は、活性領域（不図示）から遠隔の、伝導性ミラーの表面３４７に配置される。輪郭形成損失制御層は、光学軸１０５上に中心がくる湾曲表面４２３によって輪郭が形成される。誘電体ミラー４４９は、輪郭形成損失制御層４１９の湾曲表面に配置される。湾曲表面４２３の曲率は、輪郭形成損失制御層の厚さが、光学軸１０５と周辺部４５７との間の側方距離が増すのに応じて、約λ／４ｎ4だけ漸進的に変化するようになっているが、ここで、ｎ4は、輪郭形成損失制御層の屈折率である。周辺部４５７は、光学空洞１０３の側方限界に重なる輪郭形成損失制御層の一部である。光学空洞の側方限界は、コア・ゾーン１１５と低反射率ゾーン１１３の境界にほぼ一致する。図４Ａ〜４Ｄに示す実施例の場合、周辺部４５７は、図示のように、輪郭形成損失制御層と環状電極３１１との境界に位置している。代替案として、この周辺部は、さらに、境界１５９から光学軸に向かって入り込ませることもできるし、あるいは、境界１５９の外側に短い距離をおいて配置することも可能である。
【００７８】
輪郭形成損失制御層４１９は、反射防止材料の輪郭形成層であり、誘電体ミラーの材料の１つによる層であることが望ましい。光学軸１０５における輪郭形成損失制御層の厚さは、輪郭形成損失制御層が高屈折率材料の層であるか、あるいは、低屈折率材料の層であるかによって決まる。輪郭形成損失制御層が高屈折率材料の層であるか、あるいは、低屈折率材料の層であるかに関係なく、輪郭形成損失制御層の厚さは、光学軸と周辺部４５７との間で約λ／４ｎ4だけ漸進的に変化する。
【００７９】
図４Ａ及び４Ｂに示す実施例の場合、輪郭形成損失制御層４１９Ａ及び４１９Ｂは、両方とも、高屈折率の誘電体材料、すなわち、層４５１と同じ材料の層である。輪郭形成損失制御層が高屈折率材料の層である場合、輪郭形成損失制御層の光学軸における厚さは、ｍλ／４ｎ4になるが、ここで、ｍは偶数であり、ｎ4は輪郭形成損失制御層の材料の屈折率である。また、輪郭形成損失制御層が高屈折率の材料の層である場合、誘電体ミラーは偶数の層を備え、最も外側の層４５１が、高屈折率材料の層になる。
【００８０】
図４Ｃ及び４Ｄに示す実施例の場合、輪郭形成損失制御層４１９Ｃ及び４１９Ｄは、両方とも、低屈折率の誘電体材料、すなわち、層４５３と同じ材料の層である。輪郭形成損失制御層が低屈折率材料の層である場合、輪郭形成損失制御層の光学軸における厚さは、ｐλ／４ｎ4になるが、ここで、ｐは奇数であり、ｎ4は輪郭形成損失制御層の材料の屈折率である。また、輪郭形成損失制御層が低屈折率の材料の層である場合、誘電体ミラーは奇数の層を備え、図４Ａ及び４Ｂに示す実施例のように、最も外側の層４５１が、高屈折率材料の層になる。
【００８１】
上述のように、輪郭形成損失制御層の厚さは、輪郭形成損失制御層が、高屈折率材料の層であるか、あるいは、低屈折材料の層であるかに関係なく、光学軸１０５と周辺部４５７の間において約±λ／４ｎ4だけ漸進的に変化する。図４Ａ及び４Ｂに示す実施例の場合、それぞれの輪郭形成損失制御層４１９Ａ及び４１９Ｂは、光学軸における厚さが約ｍλ／４ｎ4の高屈折率材料の層である。図４Ａに示す実施例の場合、輪郭形成損失制御層４１９Ａの光学軸における厚さはほぼゼロ（ｍ＝０）である。輪郭形成損失制御層の湾曲表面４２３Ａは、凹状であり、このため、輪郭形成損失制御層の厚さは、光学軸からの側方距離の延長に応じて漸進的に増大し、周辺部４５７においてλ／４ｎ4の厚さに達する。図４Ｂに示す実施例の場合、輪郭形成損失制御層４１９Ｂの光学軸における厚さは約λ／２ｎ4（ｍ＝２）である。輪郭形成損失制御層の湾曲表面４２３Ｂは、凸状であり、このため、輪郭形成損失制御層の厚さは、光学軸からの側方距離の延長に応じて漸進的に減少し、周辺部４５７において約λ／４ｎ4の厚さに達する。
【００８２】
図４Ｃ及び４Ｄに示す実施例の場合、それぞれの輪郭形成損失制御層４１９Ｃ及び４１９Ｄは、光学軸における厚さが約ｐλ／４ｎ4の低屈折率材料の層である。図４Ｃに示す実施例の場合、輪郭形成損失制御層４１９Ｃの光学軸における厚さは約λ／４ｎ4（ｐ＝１）である。輪郭形成損失制御層の湾曲表面４２３Ｃは、凹状であり、このため、輪郭形成損失制御層の厚さは、光学軸からの側方距離の延長に応じて漸進的に増大し、周辺部４５７においてλ／２ｎ4の厚さに達する。図４Ｄに示す実施例の場合、輪郭形成損失制御層４１９Ｄの光学軸における厚さは約λ／４ｎ4（ｐ＝１）である。輪郭形成損失制御層の湾曲表面４２３Ｄは、凸状であり、このため、輪郭形成損失制御層の厚さは、光学軸からの側方距離の延長に応じて漸進的に減少し、周辺部４５７においてほぼゼロの厚さに達する。
【００８３】
上方ミラー領域４１１を２つの素子、すなわち、伝導性ミラー４６５及び誘電体ミラー４４９に分割することによって、損失決定素子４１７の有効性が増し、損失決定素子は、図３Ａ及び３Ｂに示す実施例に比べてはるかに大きい、光学軸からの側方距離の延長に応じた光学空洞における光学損失の増大を生じさせることが可能になる。これが、図３Ｃの曲線３８８によって示されている。
【００８４】
光学軸からの側方距離の延長に応じた光学空洞における光学損失の大幅な増大は、図４Ａ〜４Ｄに示す実施例において下記のようにして実現する。光学軸において、表面３４７と高屈折率・低屈折率境界４６３との間の光路長は、λ／２ｎ7の整数倍になるが、ここで、ｎ7は光路における材料の平均屈折率である。結果として、高屈折率・低屈折率境界４６３、及び、誘電体ミラー４４９の残りの層によって反射される光は、全て、伝導性ミラー４６５によって反射される光と同相をなす。誘電体ミラーの反射率によって、伝導性ミラーの低反射率が大幅に増強され、光学軸１０５における上方ミラー領域の総合反射率が高くなる。
【００８５】
周辺部４５７において、表面３４７と高屈折率・低屈折率境界４６３との間の光路長は、λ／４ｎ7の奇数倍である。結果として、高屈折率・低屈折率境界、及び、誘電体ミラー４４９の残りの層によって反射される光は、伝導性ミラー４６５によって反射される光と位相がずれることになる。高屈折率・低屈折率境界、及び、誘電体ミラーの残りの層によって反射される光は、伝導性ミラーの反射率を低下させる。従って、周辺部４５７における上方ミラー領域の総合反射率は、伝導性ミラー単独の反射率より低くなり、伝導性ミラーと誘電体ミラーの組み合わせ反射率よりはるかに低くなる。
【００８６】
光学軸１０５と周辺部４５７の間において、誘電体ミラーによって反射される光と伝導性ミラーによって反射される光との位相差が漸進的に変化するので、誘電体ミラーによって反射される光は、光学軸と周辺部との間における途中のポイントで漸進的にゼロまで減少する量だけ、伝導性ミラー４６５の反射率を増強する。従って、その途中のポイントと周辺部との間で、誘電体ミラーによって反射される光が、漸進的に増大する量だけ伝導性ミラーの反射率を低下させる。光学軸と周辺部との間の所定のポイントにおける伝導性ミラーの反射率に対する誘電体ミラーの反射率の効果は、そのポイントにおける表面３４７と高屈折率・低屈折率境界４６３との間の光路長によって決まる。
【００８７】
それぞれ、図３Ａ及び３Ｂと、図４Ａ〜４Ｄに示す損失決定素子３１７及び４１７の有効性は、発光領域１０９（図１）の量子井戸の数を減らすことによって高めることが可能である。図６には、発光領域に異なる数の量子井戸を有するＶＣＳＥＬのしきい値レベルに対する、ミラー領域１０７及び１１１（図１Ａ）の反射率を変化させる効果が示されている。発光領域の量子井戸が少なくなると、曲線の勾配が大きくなる。換言すれば、発光領域の量子井戸が少なくなると、しきい値レベルの所定の変化に必要とされる反射率の変化がより小さくなる。従って、発光領域の量子井戸数を減少させると、損失決定素子３１７及び４１７によって生じる、所定の側方距離に依存した反射率の変化から生じるしきい値の変化が大きくなる。
【００８８】
次に図７Ａ〜７Ｊを参照して、図３Ｂに示す本発明によるＶＣＳＥＬの実施例の湾曲表面３２３を形成するために利用することが可能な方法の一例について述べることにする。この方法は、上述のＶＣＳＥＬの他の実施例における湾曲表面の形成にも適応することが可能である。
【００８９】
図７Ａ〜７Ｊには、ＶＣＳＥＬ３０１Ｂになるものの上方ミラー領域３１１における上部３層が示されている。後述する処理の前に、コア・ゾーン１１５を包囲する低屈折率ゾーン１１３が、従来のやり方で上方ミラー領域にイオン注入することによって形成される。半導体ウェーハに上方ミラー領域の層とその下に位置する層を被着することによって、基本的なＶＣＳＥＬ構造を形成するプロセスは、従来のものであり、ここでは解説を控えることにする。
【００９０】
以下の説明において、ウェーハに適用されるさまざまな操作について述べることにする。云うまでもなく、こうしたステップがウェーハに用いられる場合には、ウェーハに被着した全ての層にも適用される。
【００９１】
図３Ｂに示すＶＣＳＥＬ３０１Ｂの場合、輪郭形成損失制御層３１９Ｂから構成される損失決定素子３１７Ｂは、反射防止材料の層に凸状表面３２３Ｂを形成することによって作製される。損失決定素子を形成するため、例えば、上方ミラー領域３１１の表面３４７に、蒸着または化学蒸着（ＣＶＤ）によって反射防止材料の層７０２を被着させ、図７Ａに示すように、層７０２の表面７０６にフォトレジストの層７０４を塗布する。
【００９２】
その境界が破線７０８によって表示された円形開口部を形成するマスク（不図示）が、コア・ゾーン１１５に中心がくるように、フォトレジスト層に隣接して配置される。フォトレジスト層は、マスクを介して紫外線のような適合する照射線源にさらされる。次に、フォトレジスト層を洗浄して、照射線源にさらされた部分以外のフォトレジスト層が除去される。フォトレジスト層のこの部分は、図７Ｂに示す円筒形フォトレジスト柱７１０として反射防止層７０２の表面に残される。
【００９３】
次に、約５分〜約２０分間にわたって、ウェーハを約２５０〜３００゜Ｃまで加熱する。フォトレジスト柱７１０を加熱すると、フォトレジストが溶解し、エッチング・マスク７１４が形成される。表面張力によって、溶融フォトレジストは、図７Ｃに示す平滑な凸形状を呈することになる。ウェーハの冷却につれて、フォトレジストが固化する時、エッチング・マスクは、その凸形状を保持する。
【００９４】
次に、図７Ｄの矢印７１６によって示されるように、イオン・ミリングまたは反応イオン・エッチング（ＲＩＥ）を用いて、ウェーハにドライ・エッチングが施され、エッチング・マスク７１４の厚さプロフィールが反射防止層７０２に転写される。例えば、ウェーハに、５０〜１００Ｗのパワーで、アルゴン・イオンによる衝撃を加えることが可能である。ドライ・エッチングによって、エッチング・マスクと、エッチング・マスクによる保護が施されないか、あるいは、エッチング・マスクによる保護の量が少ない、反射防止層７０２の領域７１８が除去される。領域７１８の深さプロフィールは、エッチング・マスクの形状、及び、反射防止層の材料とエッチング・マスクのフォトレジスト材料とのエッチング・レートの比によって決まる。
【００９５】
ドライ・エッチングによって、図７Ｅに示すプロフィールの反射防止層７０２が残される。凸状表面３２３Ｂによって囲まれた輪郭形成損失制御素子３１９Ｂは、上方ミラー領域３１１のコア・ゾーン１１５に中心がくる。輪郭形成損失制御素子は、上方ミラー領域の表面３４７を被覆する反射防止層のゾーン７２０によって囲まれている。反射防止材料は、ゾーン７２０における厚さが約λ／４ｎ4である。
【００９６】
次に、図７Ｆに示すように、反射防止層７０２の表面７２４に対して新たなフォトレジスト層７２２が塗布される。
【００９７】
その境界が破線７２６によって表示された、図３Ｂに示す環状電極３３１の形状を形成するマスク（不図示）が、コア・ゾーン１１５に中心がくるように、フォトレジスト層７２２に隣接して配置される。フォトレジスト層は、マスクを介して紫外線のような適合する照射線源にさらされる。次に、フォトレジスト層を洗浄して、マスクによって画定されるフォトレジスト層の部分が除去される。この結果、環状開口部７２８が形成され、反射防止層７０２の表面７２４の環状部分７２９が露出する。反射防止層の表面の残りの部分は、図７Ｇに示すようにフォトレジスト層によって保護されたままである。
【００９８】
次に、ウェーハに異方性エッチングが施され、この結果、環状開口部７２８を介して、反射防止層７０２の表面７２４の環状部分７２９が除去される。これによって、輪郭形成損失制御層３１９Ｂの最終形状が決まり、反射防止層に環状開口部７３０が形成され、図７Ｈに示すように、上方ミラー領域３１１の表面３４７の環状部分７３１が露出する。
【００９９】
図７Ｉ及び７Ｊに示す追加ステップによって、輪郭形成損失制御層３１９Ｂの最終形状を決めるフォトレジスト層７２２を利用して、電極３３１の形状を決めることも可能になる。例えば、蒸着によって、金のような金属層７３２の被着が行われる。金属層７３２の被着は、フォトレジスト層が上方ミラー領域の表面３４７を保護している、フォトレジスト層７２２の表面７３４に対して施され、また、図７Ｉに示すように、開口部７３０によって露出した上方ミラー領域の表面３４７の環状部分７３１に対して施される。
【０１００】
最後に、フォトレジスト層７２２を溶解する溶剤中においてウェーハの洗浄が行われる。フォトレジスト層を溶解することによって、フォトレジスト層７２２の表面７３４に被着した金属層７３２の部分７３６も除去されるが、上方ミラー領域の表面３４７の環状部分７３１に被着した金属層の部分は環状電極３３１として残される。環状電極は、図７Ｊに示すように、輪郭形成損失制御層３１９Ｂを包囲しており、電極の発光ポート３２９は、輪郭形成損失制御層の周辺部３５７に隣接している。
【０１０１】
蒸着、ＣＶＤ、または、他の適合する方法によって、交互に高屈折率と低屈折率になった、それぞれ、均一な厚さλ／４ｎ3（ここで、ｎ3は、層の材料の屈折率である）を有する誘電体材料の追加層を湾曲表面３２３Ｂに被着させることにより、それぞれ、図４Ｂ及び４Ｄに示す実施例の誘電体ミラー４４９Ｂまたは４４９Ｄを形成することが可能になる。誘電体ミラーは、二酸化珪素ＳｉＯ2と二酸化チタンＴｉＯ2の交互層、または、二酸化珪素ＳｉＯ2と窒化珪素Ｓｉ3Ｎ4の交互層から形成されるのが望ましい。
【０１０２】
上述のプロセスは、図１Ａ及び２に示す実施例の半導体層１１９における凹状表面、図１Ｂに示す実施例の誘電体層１１９Ｂにおける凹状表面１２３Ｂ、図３Ａに示す実施例の輪郭形成損失制御層３１９Ａにおける凹状表面３２３Ａ、及び、それぞれ、図４Ａ及び４Ｃに示す実施例の輪郭形成損失制御層４１９Ａ及び４１９Ｃにおける凹状表面４２３Ａ及び４２３Ｃの形成に適応することが可能である。こうした凹状表面を形成するため、上方ミラー領域の表面に、損失制御層として、半導体、誘電体、または、反射防止材料の層を適宜被着させ、その上にフォトレジストの層が塗布される。用いられるフォトレジストは、溶融すると、損失制御層の表面を濡らすものでなければならない。図７Ｂに示すものと同様のマスク及び溶剤プロセスを利用して、コア・ゾーン１１５に重なるフォトレジスト層に円形の開口部が形成される。フォトレジスト層が、図７Ｃに示すステップで加熱することによって溶融すると、溶融したフォトレジストが、開口部に流入し、コア・ゾーンに中心がくる凹状くぼみが形成される。次に、図７Ｄに示すドライ・エッチング・ステップを用いて、フォトレジスト層の凹状くぼみのプロフィールがその下に位置する損失制御層に転写される。
【０１０３】
以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【０１０４】
（実施態様１）
光学軸に沿って高輝度単モード光ビームを放射するためのＶＣＳＥＬ（垂直共振型面発光レーザ）であって、該ＶＣＳＥＬは以下（ａ）及び（ｂ）を含むことを特徴とする、
（ａ）光学損失を有する光学空洞であって、該光学空洞は以下（ａ−１）ないし（ａ−３）を含む、
（ａ−１）第１のミラー領域及び第２のミラー領域であって、該第１のミラー領域及び該第２のミラー領域は伝導性であり逆の伝導モードを有し、
（ａ−２）前記第１のミラー領域と前記第２のミラー領域の間に挟まれた面発光領域であって、該面発光領域は光学軸に対して垂直であり、
（ａ−３）前記発光領域の平面における前記光学空洞の側方限界を形成するための手段、
（ｂ）損失決定手段であって、該損失決定手段は前記光学空洞に結合され、前記光学軸からの側方距離が増すのに応じて前記光学空洞の光学損失を漸進的に増大させる。
【０１０５】
（実施態様２）
前記損失判定手段には、屈折、側方拡散、又は、集束ずれによって、前記光学軸からの側方距離が増すのに応じて、前記光学空洞の前記光学損失を漸進的に増大させるための手段が含まれることを特徴とする実施態様１に記載のＶＣＳＥＬ。
【０１０６】
（実施態様３）
前記損失判定手段には、前記光学軸からの側方距離が増すのに応じて漸進的に増大する反射損失を前記光学空洞の光に加えるための手段が含まれることを特徴とする、実施態様１に記載のＶＣＳＥＬ。
【０１０７】
（実施態様４）
前記発光領域に、量子井戸が１つだけしか含まれていないことを特徴とする、実施態様１に記載のＶＣＳＥＬ。
【０１０８】
（実施態様５）
光学軸に沿って高輝度単モード光ビームを放射するためのＶＣＳＥＬ（垂直共振型面発光レーザ）であって、該ＶＣＳＥＬは以下（ａ）及び（ｂ）を含むことを特徴とする、
（ａ）光学損失を有する光学空洞であって、該光学空洞は以下（ａ−１）ないし（ａ−３）を含む、
（ａ−１）第１のミラー領域及び第２のミラー領域であって、該第１のミラー領域及び該第２のミラー領域は伝導性であり逆の伝導モードを有し、
（ａ−２）前記第１のミラー領域と前記第２のミラー領域の間に挟まれた面発光領域であって、該面発光領域は光学軸に対して垂直であり、
（ａ−３）前記発光領域の平面における前記光学空洞の側方限界を形成するための手段、
（ｂ）活性領域から遠隔である、前記第１のミラー領域の表面上の輪郭形成損失制御層であって、該輪郭形成損失制御層は、前記第１のミラー領域から遠隔で、中心がほぼ光学軸に位置する湾曲表面を有する。
【０１０９】
（実施態様６）
前記輪郭形成損失制御層に、前記発光領域において発生する光に対して透明な半導体材料が含まれていることと、前記湾曲表面が半導体材料に形成されることを特徴とする実施態様５に記載のＶＣＳＥＬ。
【０１１０】
（実施態様７）
前記輪郭形成損失制御層に、前記発光領域において発生する光に対して透明な誘電体材料が含まれていることと、湾曲表面が誘電体材料に形成されることを特徴とする、実施態様５に記載のＶＣＳＥＬ。
【０１１１】
（実施態様８）
実施態様５に記載のＶＣＳＥＬであって、前記輪郭形成損失制御層が、以下の（ａ）ないし（ｃ）の特徴を有するＶＣＳＥＬ、
（ａ）反射防止材料を含んでおり、
（ｂ）前記光学軸における厚さが約ｍλ／２ｎ4であり、
（ｃ）前記光学軸と前記輪郭形成損失制御層の周辺部分との間で、約±λ／４ｎ4だけ漸進的に厚さが変化し、前記周辺部分は前記光学空洞の側方限界に隣接して位置し、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｍが偶数であり、ｎ4が前記反射防止材料の屈折率である。
【０１１２】
（実施態様９）
前記第１のミラー領域に、直列に構成された、伝導性ミラー及び誘電体ミラーが含まれていることと、前記輪郭形成損失制御層が、前記伝導性ミラーと前記誘電体ミラーの間に挟まれていることを特徴とする実施態様５に記載のＶＣＳＥＬ。
【０１１３】
（実施態様１０）
実施態様９のＶＣＳＥＬであって、該ＶＣＳＥＬは、以下（ａ）及び（ｂ）を含むことを特徴とする、
（ａ）前記誘電体ミラーは、交互層をなす、第１の屈折率を有する高屈折率誘電体材料、及び、前記第１の屈折率より低い第２の屈折率を有する低屈折率誘電体材料が含み、
（ｂ）前記輪郭形成損失制御層は、反射防止材料を有しており、前記光学軸と前記光学空洞の側方限界に対応する側方距離との間において約±λ／４ｎ4だけ厚さが漸進的に変化する、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｍが偶数であり、ｎ4が前記反射防止材料の屈折率である。
【０１１４】
（実施態様１１）
実施態様１０に記載のＶＣＳＥＬであって、以下の（ａ）及び（ｂ）であることを特徴とするＶＣＳＥＬ、
（ａ）前記輪郭形成損失制御層の前記反射防止材料が、前記第２の屈折率より前記第１の屈折率に近い屈折率を有していることと、
（ｂ）前記輪郭形成損失制御層の厚さが、光学軸において約ｍλ／２ｎ4であり、、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｍが偶数であり、ｎ4が前記反射防止材料の屈折率である
【０１１５】
（実施態様１２）
前記輪郭形成損失制御層の前記反射防止材料に、高屈折率誘電体材料が含まれていることを特徴とする実施態様１１に記載のＶＣＳＥＬ。
【０１１６】
（実施態様１３）実施態様１０に記載のＶＣＳＥＬであって、該ＶＩＣＳＥＬは以下（ａ）及び（ｂ）であることを特徴とする、
（ａ）前記輪郭形成損失制御層の前記反射防止材料が、前記第１の屈折率より前記第２の屈折率に近い屈折率を有していることと、
（ｂ）前記輪郭形成損失制御層の厚さが、前記光学軸において約ｐλ／４ｎ4であり、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｐが奇数であり、ｎ4が前記反射防止材料の屈折率である
【０１１７】
（実施態様１４）
前記輪郭形成損失制御層の前記反射防止材料に、低屈折率誘電体材料が含まれていることを特徴とする、実施態様１３に記載のＶＣＳＥＬ。
【０１１８】
（実施態様１５）
前記発光領域に、量子井戸が１つだけしか含まれていないことを特徴とする、実施態様５に記載のＶＣＳＥＬ。
【０１１９】
（実施態様１６）
光学軸に沿って高輝度単モード光ビームを放射するためのＶＣＳＥＬ（垂直共振型面発光レーザ）であって、該ＶＣＳＥＬは以下（ａ）及び（ｂ）を含むことを特徴とする、
（ａ）光学損失を有する光学空洞であって、該光学空洞は以下（ａ−１）ないし（ａ−３）を含む、
（ａ−１）第１のミラー領域及び第２のミラー領域であって、該第１のミラー領域及び該第２のミラー領域は伝導性であり逆の伝導モードを有し、前記第１のミラー領域は、直列に配置された多層伝導性ミラーと多層誘電体ミラーを含み、
（ａ−２）前記伝導性ミラー領域と前記第２のミラー領域の間に挟まれた面発光領域であって、該面発光領域は光学軸に対して垂直であり、
（ａ−３）前記発光領域の平面における前記光学空洞の側方限界を形成するための手段、
（ｂ）前記伝導性ミラーと前記誘電体ミラーの間に挟まれた反射防止材料からなる輪郭形成損失制御層であって、該輪郭形成損失制御層は
前記光学軸と前記光学空洞の側方限界に対応する側方距離との間において約±λ／４ｎ4だけ厚さが漸進的に変化し、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｎ4が前記輪郭形成損失制御層の屈折率である。
【０１２０】
（実施態様１７）
前記誘電体ミラーに、交互層をなす、第１の屈折率を有する高屈折率誘電体材料、及び、第１の屈折率より低い第２の屈折率を有する低屈折率誘電体材料が含まれていることを特徴とする、実施態様１６に記載のＶＣＳＥＬ。
【０１２１】
（実施態様１８）
実施態様１７に記載のＶＣＳＥＬであって、該ＶＣＳＥＬは以下の（ａ）及び（ｂ）であることを特徴とする、
（ａ）前記輪郭形成損失制御層の前記反射防止材料が、前記第２の屈折率よりも前記第１の屈折率に近い屈折率を有することと、
（ｂ）前記輪郭形成損失制御層が、前記光学軸において約ｍλ／２ｎ4であり、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｍが偶数であり、ｎ4が前記反射防止材料の屈折率である。
【０１２２】
（実施態様１９）
実施態様１７に記載のＶＣＳＥＬであって、該ＶＣＳＥＬは、以下の（ａ）及び（ｂ）であることを特徴とする、
（ａ）前記輪郭形成損失制御層の前記反射防止材料が、前記第１の屈折率より前記第２の屈折率に近い屈折率を有していることと、
（ｂ）前記輪郭形成損失制御層の厚さが、前記光学軸において約ｐλ／４ｎ4であり、ここで、λが前記発光領域に発生した光の波長であり、ｐが奇数であり、ｎ4が前記反射防止材料の屈折率である。
【０１２３】
（実施態様２０）
前記発光領域に、量子井戸が１つだけしか含まれていないことを特徴とする、実施態様１６に記載のＶＣＳＥＬ。
【０１２４】
この開示は、例証となる本発明の実施例について詳述したものであるが、もちろん、本発明は、解説の実施例にそのまま制限されるものではなく、付属の実施態様によって規定される本発明の範囲内において、さまざまな修正を実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】輪郭形成損失制御素子が半導体の層である、本発明によるＶＣＳＥＬの第１の実施例を示す図である。
【図１Ｂ】輪郭形成損失制御素子が誘電体の層である、本発明によるＶＣＳＥＬの第１の実施例のバリエーションを示す図である。
【図２】上方ミラー領域に２つのミラー素子が含まれる、本発明によるＶＣＳＥＬの第２の実施例を示す図である。
【図３Ａ】輪郭形成損失制御素子が反射防止材料の凹状層である、本発明によるＶＣＳＥＬの第３の実施例を示す図である。
【図３Ｂ】輪郭形成損失制御素子が反射防止材料の凸状層である、本発明によるＶＣＳＥＬの第３の実施例を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ａ及び３Ｂに示す実施例、及び、図４Ａ〜４Ｄに示す実施例に関する光学軸からの側方距離に応じた反射率の変動を示すグラフである。
【図４Ａ】上方ミラー領域に２つのミラー素子が含まれる、本発明によるＶＣＳＥＬの第３及び第４の実施例に関するバリエーションを示す図である。
【図４Ｂ】上方ミラー領域に２つのミラー素子が含まれる、本発明によるＶＣＳＥＬの第３及び第４の実施例に関するバリエーションを示す図である。
【図４Ｃ】上方ミラー領域に２つのミラー素子が含まれる、本発明によるＶＣＳＥＬの第３及び第４の実施例に関するバリエーションを示す図である。
【図４Ｄ】上方ミラー領域に２つのミラー素子が含まれる、本発明によるＶＣＳＥＬの第３及び第４の実施例に関するバリエーションを示す図である。
【図５】従来のＶＣＳＥＬを示す図である。
【図６】ＶＣＳＥＬのしきい値が、活性領域における量子井戸の数が異なるミラー領域の反射率に従ってどのように変動するかを示すグラフである。
【図７Ａ】図３Ｂに示す本発明によるＶＣＳＥＬの実施例の輪郭形成損失制御層を作製するために用いるプロセスを示す図である。
【図７Ｂ】図３Ｂに示す本発明によるＶＣＳＥＬの実施例の輪郭形成損失制御層を作製するために用いるプロセスを示す図である。
【図７Ｃ】図３Ｂに示す本発明によるＶＣＳＥＬの実施例の輪郭形成損失制御層を作製するために用いるプロセスを示す図である。
【図７Ｄ】図３Ｂに示す本発明によるＶＣＳＥＬの実施例の輪郭形成損失制御層を作製するために用いるプロセスを示す図である。
【図７Ｅ】図３Ｂに示す本発明によるＶＣＳＥＬの実施例の輪郭形成損失制御層を作製するために用いるプロセスを示す図である。
【図７Ｆ】図３Ｂに示す本発明によるＶＣＳＥＬの実施例の輪郭形成損失制御層を作製するために用いるプロセスを示す図である。
【図７Ｇ】図３Ｂに示す本発明によるＶＣＳＥＬの実施例の輪郭形成損失制御層を作製するために用いるプロセスを示す図である。
【図７Ｈ】図３Ｂに示す本発明によるＶＣＳＥＬの実施例の輪郭形成損失制御層を作製するために用いるプロセスを示す図である。
【図７Ｉ】図３Ｂに示す本発明によるＶＣＳＥＬの実施例の輪郭形成損失制御層を作製するために用いるプロセスを示す図である。
【図７Ｊ】図３Ｂに示す本発明によるＶＣＳＥＬの実施例の輪郭形成損失制御層を作製するために用いるプロセスを示す図である。
【符号の説明】
１０１、２０１、３０１：垂直空洞発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）
１０３：光学空洞
１０５：光学軸
１０７：下方ミラー領域
１０９：面発光領域
１１１、２１１、３１１、４１１：上方ミラー領域
１１３：低反射率ゾーン
１１５：コア・ゾーン
１１７、２１７、３１７、４１７：損失決定素子
１１９、３１９、４１９：輪郭形成損失制御層
１２１：損失制御層の表面
１２３：凹状表面
１２５：活性領域
１２７：基板
１２９、３２９：発光ポート
１３１、１４３：電極
１３３、１３５：層
１３７：下方クラッディング層
１３９：上方クラッディング層
１４１：ｐタイプ表面層
１４５：基板の背面
１４７、３４７：上方ミラー領域の表面
１５９：境界
２２３、３２３、４２３：湾曲表面
２４７：伝導性ミラーの表面
２４９、４４９：誘電体ミラー
２５２、２５３、４５１、４５３：層
２６５、４６５：伝導性ミラー
３３１：電極
３５５：電流拡散層
３５７：周辺部
３６１：表面部分
４５７：周辺部
４６３：高屈折率・低屈折率境界
７０２：反射防止材料の層
７０４：フォトレジスト層
７０６、７２４：反射防止層の表面
７０８、７２６：境界
７２２：フォトレジスト層
７２８、７３０：環状開口部
７２９、７３１：環状部分
【図１Ａ】
0003999309.tif 000002
【図１Ｂ】
0003999309.tif 000003
【図２】
0003999309.tif 000004
【図３Ａ】
0003999309.tif 000005
【図３Ｂ】
0003999309.tif 000006
【図３Ｃ】
0003999309.tif 000007
【図４Ａ】
0003999309.tif 000008
【図４Ｂ】
0003999309.tif 000009
【図４Ｃ】
0003999309.tif 000010
【図４Ｄ】
0003999309.tif 000011
【図５】
0003999309.tif 000012
【図６】
0003999309.tif 000013
【図７Ａ】
0003999309.tif 000014
【図７Ｂ】
0003999309.tif 000015
【図７Ｃ】
0003999309.tif 000016
【図７Ｄ】
0003999309.tif 000017
【図７Ｅ】
0003999309.tif 000018
【図７Ｆ】
0003999309.tif 000019
【図７Ｇ】
0003999309.tif 000020
【図７Ｈ】
0003999309.tif 000021
【図７Ｉ】
0003999309.tif 000022
【図７Ｊ】
0003999309.tif 000023