(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部ミラー・スタックと底部ミラー・スタックを有するモノリシック光電子デバイスであって、
回折格子領域を有する導波路回折格子層を含む共振反射器であって、前記上部ミラー・スタックと前記底部ミラー・スタックの少なくとも一方と隣接して位置決めされた共振反射器を含み、前記共振反射器は更に、複数の共振反射器層を含み、各共振反射器層は屈折率を有しており、少なくとも１つの屈折率の変調に依存した拡散反射率帯域幅を前記共振反射器が有しているモノリシック光電子デバイス。
【請求項２】
前記共振反射器が、
導波路領域を含む請求項１に記載の光電子デバイス。
【請求項３】
前記共振反射器が導波路領域を含み、前記導波路領域が回折格子層も含めたいくつかの層を含む請求項１に記載の光電子デバイス。
【請求項４】
前記共振反射器が導電性であり、その結果として前記共振反射器の反射率が低下されている請求項１に記載の光電子デバイス。
【請求項５】
前記共振反射器が半導体材料から形成され、また導電性になるようにドーピングされる請求項１に記載の光電子デバイス。
【請求項６】
拡散反射率の帯域幅が１ナノメートルより大きい請求項１に記載の光電子デバイス。
【請求項７】
前記共振反射器層の少なくとも一部がまとまって反射防止性となる請求項１に記載の光電子デバイス。
【請求項８】
前記共振反射器層の少なくとも一部がまとまって高反射性となる請求項１に記載の光電子デバイス。
【請求項９】
ＶＣＳＥＬデバイスである請求項１に記載の光電子デバイス。
【請求項１０】
ＲＣＰＤデバイスである請求項１に記載の光電子デバイス。
【請求項１１】
ＲＣＬＥＤである請求項１に記載の光電子デバイス。
【請求項１２】
第１のミラー・スタックと、
第２のミラー・スタックと、
前記第１のミラー・スタックと前記第２のミラー・スタックの間に位置決めされた活性領域と、
前記第１のミラー・スタックに隣接して位置決めされた共振反射器手段であって、回折格子領域を有する導電性の導波路回折格子層を含む複数層を有する共振反射器手段であって、共振波長を含む所定範囲の波長で拡散反射率をもたらす共振反射器手段とを含み、前記共振反射器手段の前記複数層に含まれる各層が屈折率を有しており、少なくとも１つの屈折率の変調に依存した拡散反射率帯域幅を前記共振反射器手段が有している光電子デバイス。
【請求項１３】
前記共振反射器手段の少なくとも一部分および前記第１のミラー・スタックを介して前記活性領域に電気的に結合された第１の接点手段と、
前記第２のミラー・スタックの少なくとも一部分を介して前記活性領域に電気的に結合された第２の接点手段と
をさらに含む請求項１２に記載の光電子デバイス。
【請求項１４】
前記第１の接点手段が、前記共振反射器手段に隣接して位置決めされる請求項１３に記載の光電子デバイス。
【請求項１５】
前記第１のミラー・スタックが前記共振反射器手段の下に位置決めされ、前記第１の接点手段が前記共振反射器の上に位置決めされる請求項１３に記載の光電子デバイス。
【請求項１６】
前記共振反射器手段の前記少なくとも一部分が半導体材料から形成され、また導電性になるようにドーピングされる請求項１２に記載の光電子デバイス。
【請求項１７】
前記共振反射器手段が回折格子手段および導波路手段を含む請求項１２に記載の光電子デバイス。
【請求項１８】
前記回折格子手段が前記導波路手段の上に位置決めされ、前記第１の接点手段が前記回折格子手段の上に位置決めされる請求項１７に記載の光電子デバイス。
【請求項１９】
前記回折格子手段が前記第１の接点手段を含む請求項１７に記載の光電子デバイス。
【請求項２０】
ＶＣＳＥＬデバイスである請求項１２に記載の光電子デバイス。
【請求項２１】
ＲＣＰＤデバイスである請求項１２に記載の光電子デバイス。
【請求項２２】
複数層を含む共振反射器領域であって、前記複数層のうちの一つが回折格子領域を有する導電性の導波路回折格子層であり、前記導波路回折格子層が複数の未充填溝を区画しており、前記共振反射器領域の前記複数層に含まれる各層が屈折率を有しており、少なくとも１つの屈折率の変調及び前記回折格子領域の充填率に依存した拡散反射率帯域幅を前記共振反射器領域が有している前記共振反射器領域と、
前記共振反射器領域に隣接して位置決めされた分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、
を含む混成構造第１のミラー・スタックと、
第２のミラー・スタックと、
前記混成構造第１のミラー・スタックと前記第２のミラー・スタックとの間に位置決めされた活性領域と、
を含む光電子デバイス。
【請求項２３】
前記共振反射器領域の少なくとも一部分および前記第１のミラー・スタックを介して前記活性領域に電気的に結合された第１の接点手段と、
前記第２のミラー・スタックの少なくとも一部分を介して前記活性領域に電気的に結合された第２の接点手段と
をさらに含む請求項２２に記載の光電子デバイス。
【請求項２４】
前記共振反射器領域が導波路領域を含む請求項２３に記載の光電子デバイス。
【請求項２５】
前記回折格子領域が前記第１の接点手段を含む請求項２４に記載の光電子デバイス。
【請求項２６】
ＶＣＳＥＬデバイスである請求項２２に記載の光電子デバイス。
【請求項２７】
ＲＣＰＤデバイスである請求項２２に記載の光電子デバイス。
【請求項２８】
光電子デバイスを形成する方法であって、
第１のミラー・スタックを基板上に形成するステップと、
活性領域を前記第１のミラー・スタック上に形成するステップと、
第２のミラー・スタックを前記活性領域上に形成するステップと、
複数の未充填溝を含む回折格子領域を有する導波路回折格子層を含む複数層共振反射器であって、前記複数層共振反射器に含まれる各層が屈折率を有しており、少なくとも１つの屈折率の変調に依存した拡散反射率帯域幅を前記複数層共振反射器が有し、共振波長を含む所定範囲の波長で拡散反射率をもたらす前記複数層共振反射器を前記第２のミラー・スタック上に隣接して形成するステップと、
前記共振反射器の少なくとも一部をドーピングして導電性にするステップと
を含む方法。
【請求項２９】
前記導電性の共振反射器に隣接して接点を形成するステップをさらに含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
回折格子領域を有する導波路回折格子層を含む複数層を含む一体化された共振反射器を有する光を出力するＶＣＳＥＬデバイスであって、当該共振反射器の各層は屈折率を有しており、少なくとも１つの屈折率の変調に依存した拡散反射率帯域幅を当該共振反射器が有しており、前記共振反射器がその光出力を第１の方向に偏光させる配向を有するＶＣＳＥＬデバイスと、
回折格子領域を有する導波路回折格子層を含む複数層を含む一体化された共振反射器を有する第１のＲＣＰＤデバイスであって、当該共振反射器の各層は屈折率を有しており、少なくとも１つの屈折率の変調に依存した拡散反射率帯域幅を当該共振反射器が有しており、当該第１のＲＣＰＤデバイスの前記共振反射器が前記ＶＣＳＥＬデバイスのものと同じ配向を有し、前記ＶＣＳＥＬデバイスの偏光出力を検出するようになっている第１のＲＣＰＤデバイスと
を含む光データ経路。
【請求項３１】
回折格子領域を有する導波路回折格子層を含む一体化された共振反射器を有する第２のＲＣＰＤデバイスであって、当該第２のＲＣＰＤデバイスの前記共振反射器が前記ＶＣＳＥＬデバイスのものと異なる配向を有し、前記ＶＣＳＥＬデバイスの偏光出力を検出しないようになっている第２のＲＣＰＤデバイスをさらに含む請求項３０に記載の光データ経路。
【請求項３２】
一体化された共振反射器を有するＶＣＳＥＬデバイスであって、前記共振反射器が前記ＶＣＳＥＬデバイスに所定範囲の波長を有する光出力を生成させる、回折格子領域を有する導波路回折格子層を含む複数層を有し、当該複数層の各層は屈折率を有しており、少なくとも１つの屈折率の変調に依存した拡散反射率帯域幅を当該ＶＣＳＥＬデバイスの共振反射器が有しているＶＣＳＥＬデバイスと、
一体化された共振反射器を有する第１のＲＣＰＤデバイスであって、その前記共振反射器が前記ＶＣＳＥＬデバイスの前記導波路回折格子層に対応する、回折格子領域を有する導波路回折格子層を含む複数層を有し、当該複数層の各層は屈折率を有しており、少なくとも１つの屈折率の変調に依存した拡散反射率帯域幅を当該第１のＲＣＰＤデバイスの共振反射器が有しており、前記ＶＣＳＥＬデバイスからの所定範囲の波長の光を検出するようになっている第１のＲＣＰＤデバイスと
を含む光通信システム。
【請求項３３】
一体化された共振反射器を有する第２のＲＣＰＤデバイスであって、その前記共振反射器が前記ＶＣＳＥＬデバイスの前記導波路回折格子層に対応しない、回折格子領域を有する導波路回折格子層を有し、前記ＶＣＳＥＬデバイスからの所定範囲の波長の光を検出しないようになっている第２のＲＣＰＤデバイスをさらに含む請求項３２に記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は光電子デバイスの分野に関し、さらに詳細には、垂直空洞面発光型レーザや共振空洞光検出器など、反射器を使用する光電デバイスに関する。
従来の半導体レーザは、例えば通信システムやコンパクト・ディスク・プレーヤなど様々なデバイス用に選択される光源として、現代技術で広く使用されている。こうした利用分野の多くでは、半導体レーザは、光ファイバ・リンクまたは自由空間を介して半導体受光器（例えばフォトダイオード）と結合される。この構成は、高速の通信経路を提供することができる。
代表的な端面発光型半導体レーザは、バンドギャップの小さな高屈折率層の両表面の大部分がバンドギャップの大きな低屈折率層で挟まれた、ダブル・ヘテロ構造である。バンドギャップの小さな層は「活性層」と呼ばれ、バンドギャップおよび屈折率の差は、電荷キャリアおよび光エネルギーを活性層または活性領域に閉じ込める働きをする。活性層の両端は、レーザ空洞を形成するミラー・ファセットを有する。クラッディング層は反対の導電型を有し、電流がこの構造を流れると、電子およびホールが活性層中で結合して光を発生する。
最近十年間で突出してきた別のタイプの半導体レーザは、面発光型レーザである。いくつかのタイプの面発光型レーザが開発されている。このようなレーザの中で特に有望な１つのレーザは、「垂直空洞面発光型レーザ」（ＶＣＳＥＬ）と呼ばれる。（このレーザの説明としては、例えば、「Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｌａｓｅｒｓ  ｆｏｒ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ａｎｄ  ｉｎｔｅｒｃｈｉｐ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ」、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、２９、２１０〜２１４ページ、１９９０年３月、を参照されたい。その他の例としては、この記述により参照によって本明細書に組み込む、１９９２年５月１９日に発行されたＹｏｎｇ  Ｈ．Ｌｅｅ他による「Ｔｏｐ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」という名称の米国特許第５１１５４４２号、およびこの記述により参照によって本明細書に組み込む、１９９５年１２月１２日に発行されたＭａｒｙ  Ｋ．Ｈｉｂｂｓ−Ｂｒｅｎｎｅｒによる「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｍｏｎｉｔｏｒ」という名称の米国特許第５４７５７０１号に注目されたい。また、「Ｔｏｐ−ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ＧａＡｓ  ｆｏｕｒ−ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ  ｌａｓｅｒｓ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ａｔ  ０．８５μｍ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２６、７１０〜７１１ページ、１９９０年５月２４日を参照されたい。）
垂直空洞面発光型レーザは、従来の端面発光型レーザに勝る、性能および潜在的生産性の利点を数多くもたらす。これには、１次元および２次元のアレイへの適応性や、ウェハ・レベルの品質、望ましいビーム特性（典型的には円対称の低発散ビーム）など、それらの幾何形状に関連する多くの利益が含まれる。
ＶＣＳＥＬは通常は、バルクあるいは１つまたは複数の量子井戸層を備えた活性領域を有する。活性領域の両側にはミラー・スタックがあり、これらは通常、各層が一般に対象となる波長（媒質中）で４分の１波長の厚さとなるような特性を有し、それによりミラーをレーザ空洞用に形成する、交互に配置された半導体層によって形成される。活性領域の両側には導電型が反対である領域があり、通常は、活性領域を通る電流を変化させることによってレーザをオン・オフに切り替える。
歩留りが高く高性能のＶＣＳＥＬが実証され、商品化されている。ＡｌＧａＡｓベースの頂面発光型（top-surface-emitting）ＶＣＳＥＬは、半導体集積回路と同様の方法で製造することができ、低コスト大量生産、および既存の電子技術プラットフォームとの統合に適応させることができる。さらに、ＶＣＳＥＬの均質性および再現性も、標準的な、改良していない市販の有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）チャンバ、および極めて高いデバイスの歩留りを与える分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）を使用して実証されている。
ＶＣＳＥＬは、高速（例えばＧｂｉｔ／ｓ）かつ中距離（例えば約１０００メートル以下）の単チャネルまたは多チャネルのデータ・リンクの利用分野、ならびに多数の光学および／または画像処理の利用分野において、性能面およびコスト面での利点をもたらすものと期待されている。これは、フレキシブルな望ましい特徴を備えた潜在的に低コスト高性能の送信機を提供する、それらに固有の幾何形状によってもたらされる。
ほとんどの実用的な寸法のＶＣＳＥＬは、本質的に多（横）モードである。最低次の単一モードＶＣＳＥＬは、単一モード・光ファイバ中に結合するのに好ましく、自由空間および／または波長感度システムでは有利であり、標準的な５０μｍおよび６２．５μｍのＧＲＩＮ多モード・ファイバの帯域幅長積（bandwidth-length product）を大きくする際に使用すると有益であることもある。しかし、ＶＣＳＥＬの短い光空洞（２）は単一縦モード放出に有利であるが、多波長（１０）の横方向の寸法によって多重横モード動作が容易になることは以前から知られている。
高次のモードになるほど、通常は、レーザ発振空洞の中心から離れて、より高いエネルギーの横方向濃度を有する。したがって、最低次の円対称モードでレーザ発振を引き起こすための最も明白な方法は、活性領域の横方向の寸法を、より高次のモードがしきい値に達するのを妨げるのに十分に小さくすることである。しかし、これは、通常のＶＣＳＥＬの場合で横方向の寸法が約５ｍ未満であることを必要とする。このような小さな区域は、過大な抵抗をもたらし、従来の製作技法で得られる限界を押し広げることができる。横方向のばらつきが制限要因となる可能性がある、注入深さが約１ｍを超える場合には特にそうである。したがって、横モードの制御は、実用的な寸法のＶＣＳＥＬでは依然として困難なままである。
ＶＣＳＥＬ中で横モードを制御するのに役立つ提案されている１つの手法は、レーザ発振空洞の励起寸法「ｇ」より小さな寸法「Ｗ」を出口窓に使用するものである。この手法は、Ｍｏｒｇａｎ他による「Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｍｏｄｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ  Ｔｏｐ−Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒｓ」、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．４、Ｎｏ．４、３７４ページ（１９９３年４月）に提案されている。Ｍｏｒｇａｎ他は、上部金属接点中の出口窓の横方向の寸法「ｗ」を利得誘導（ｇａｉｎ  ｇｕｉｄｅ）アパーチャ「ｇ」（これによりレーザ発振空洞の励起区域の横方向の寸法が決まる）より小さくすることを提案する。この構成では、上部金属接点（通常は金）は、レーザ発振空洞の励起区域の周囲で、上部半導体ミラー・スタックの最上層と直接界面となる。
出口窓中では、上部半導体ミラー・スタックの最上層は、空気などと直接界面となる。Ｍｏｒｇａｎ他は、金と半導体の界面の反射率が位相外れ、かつ／または非鏡面反射であることがあり、したがって半導体と空気の界面より低い反射率であることがあるので、この構成は横モード放出を制御する助けとなることができると示唆している。
金と半導体の界面の反射率が低くなると、レーザ発振空洞の中およびその周りでより高次のモードが発生する可能性が低下する可能性がある。これにより、レーザ発振空洞の励起の横方向の光学的寸法を有効に縮小し、より大きな製作寸法を可能にすることができる。
この手法の限界は、金と半導体の反射率の界面の反射率と、半導体と空気の界面の反射率の間の差を、特により大きなバイアス電流で、より高次のモードを有効に制御するのに十分に大きくすることができない点である。さらに、金と半導体の界面および半導体と空気の界面における拡散反射率は、商業的に応用するのに十分に制御できずまたは再現できない。さらに、これらの「空間的にフィルタリングされた」ＶＣＳＥＬの効率は最適ではない。
モード制御とは別に、多くの従来技術のＶＣＳＥＬデバイスのもう１つの制限は、モード安定性である。従来のＶＣＳＥＬデバイスによって放出される放出モードは、熱レンズや、空間的ホール・バーニング、バイアス状態などの温度効果にしばしば依存する。したがって、従来のＶＣＳＥＬデバイスは、予想される全ての動作条件下で安定した出力放出モードを提供することはできない。
Ｓ．Ｓ．ＷａｎｇおよびＲ．Ｍａｇｎｕｓｓｏｎによる「Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｇｕｉｄｅｄ−ｍｏｄｅ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｆｉｌｔｅｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．１４、１９９３年５月１０日では、誘電体共振反射フィルタについて論じられている。Ｗａｎｇ他は、誘電体反射防止膜を、空間周波数の高い誘電体回折格子とともに使用することを提案する。この手法を使用すると、１００％反射性の狭帯域スペクトル選択性ミラーを実現することができると述べている。
多層導波路回折格子構造をベースとする狭帯域共振反射フィルタの設計は、Ｓ．Ｓ．ＷａｎｇおよびＲ．Ｍａｇｎｕｓｓｏｎによる「Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ−Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｆｉｌｔｅｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．３４、Ｎｏ．１４、１９９５年５月１０日で論じられている。単層、２重層、および３重層の導波路回折格子フィルタの例が与えられている。ここで、Ｗａｎｇ他は特に、彼らの狭帯域誘電体反射フィルタを、ＶＣＳＥＬアレイのミラーとして使用することを提案している。
狭帯域誘電体共振反射フィルタをＶＣＳＥＬアレイのミラーとして使用することにはいくつかの制限があり、その一部を以下に述べる。第１に、Ｗａｎｇ他の誘電体反射フィルタが導電性でなく、したがって電流注入経路、例えばＶＣＳＥＬデバイスの接点から対応する活性領域を通る経路中で使用することができないことに留意されたい。従来のＶＣＳＥＬデバイスのミラーは、通常は半導体分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。半導体ＤＢＲミラーは導電性にすることができ、しばしばＶＣＳＥＬの接点から活性領域への電流経路となる。例えばＶＣＳＥＬデバイスの上部ミラーの代わりにＷａｎｇ他の誘電体共振反射フィルタを使用する場合には、上側接点は誘電体反射フィルタと活性領域の間に位置決めしなければならない。これにより、多くのＶＣＳＥＬ構造の設計が大きく制限される可能性がある。
第２に、提案されたＷａｎｇ他の「狭帯域」誘電体共振反射フィルタは、光通信の利用分野を含めた多くの光電子利用分野で、十分に大きな動作波長とすることができない。Ｓ．Ｓ．ＷａｎｇおよびＲ．Ｍａｇｎｕｓｓｏｎによる「Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ−Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｆｉｌｔｅｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．３４、Ｎｏ．１４、１９９５年５月１０日で、Ｗａｎｇ他は、単層、２重層、および３重層の導波路回折格子フィルタの例を示している。各場合で、半値全幅（ＦＷＨＭ）の拡散反射率の帯域幅は約１ｎｍ未満となる。１ｎｍ未満の共振では、共振空洞光検出器（ＲＣＰＤ）またはその他の受光器で使用するのに十分に大きな帯域幅を提供することはできない。
共振空洞光検出器は、通常はＶＣＳＥＬと同様に構築されるが、逆のバイアス・モードで動作する。共振空洞光検出器は、ミラーの１つを通って空洞に入射する光を活性領域を介して何度も効率的に反射させることができるので、標準的なフォトダイオードより効率的にすることができる。こうして、光が活性領域に吸収されるか、ミラー・スタックの１つを通って漏れるまで、ミラー・スタック間で光を反射させることができる。ミラー・スタックは通常は共振付近では反射性が高くなるので、空洞に入射するほとんどの光は活性領域で吸収される。
Ｗａｎｇ他の「狭帯域」誘電体共振反射フィルタは、極めて狭い帯域幅を達成し、おそらくはフィルタの周波数選択性を高めようとするものである。しかし、ＶＣＳＥＬ／ＲＣＰＤ電子光学通信経路など多くのＶＣＳＥＬの利用分野では、ＲＣＰＤデバイスの波長帯域幅を増大させると有利であることがあり、ＶＣＳＥＬデバイスおよびＲＣＰＤデバイスの製造許容差、デバイスの位置合わせ、ノイズ、熱、およびその他の要因を含むいくつかの要因を補償するのに十分に広くしなければならない。これは、共振反射器を利用して多モードＶＣＳＥＬを構築する際にも有利となるはずである。これにより、より帯域幅の広い検出器を、有限波長変動および広帯域幅ソースを示す通信リンク中で使用することができるようになる。
発明の概要
本発明は、ＶＣＳＥＬデバイスやＲＣＰＤデバイスなど、集積共振反射器を有する光電子デバイスを提供することによって、従来技術の欠点の多くを克服するものである。集積共振反射器を導電性にし、バイアス電流がその中を流れるようにすることができる。これにより、ＶＣＳＥＬデバイスおよびＲＣＰＤデバイスの設計をよりフレキシブルにすることができる。共振反射器をさらに導電性にすると共振反射器が達成できる全体的な反射率が低下するので、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）のミラーと組み合わせて共振反射器を設け、ＶＣＳＥＬまたはＲＣＰＤの設計に必要な全体の拡散反射率を達成することもできる。
帯域幅の広い共振反射器（ＦＷＨＭ＞１ｎｍ）とし、より広い帯域幅を有するＶＣＳＥＬまたはＲＣＰＤを製造することもできる。帯域幅は、このようなデバイス間のデータ通信の信頼性を高めるのに十分に広くすることができる。さらに、多モード放出が望ましいＶＣＳＥＬの利用分野では、より広い帯域幅の共振反射器とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
本発明のその他の目的、および本発明の付随的な利点の多くは、以下の詳細な説明を参照し、添付の図面と関連づけて考慮することによって本発明がよりよく理解されるにつれて、容易に分かるであろう。図面全体で、同じ参照番号は同じ部分を指している。
第１図は、従来技術による、プレーナ型かつ電流誘導型の、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ頂面発光型垂直空洞レーザを示す概略図である。
第２図は、上部ミラーが共振反射器と分布ブラッグ反射器の組合せを含む、プレーナ型かつ電流誘導型の、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ頂面発光型垂直空洞レーザを示す概略図である。
第３図は、導電性になるように構築されたときの共振反射器の、低下した反射率を示すグラフである。
第４図は、上部接点が、導電性共振反射器の導波路回折格子の上部に位置決めされた、第２図に示すものと同様の垂直空洞レーザを示す概略図である。
第５Ａ図は、共振反射器の導波路回折格子が上部接点として機能する、第３図に示すものと同様の垂直空洞レーザを示す概略図である。
第５Ｂ図は、共振反射器の導波路回折格子が接点と異なる材料から形成されることを以外第５Ａ図に示すものと同様の、垂直空洞レーザを示す概略図である。
第６図は、上部ミラーを帯域幅の広い共振反射器で置き換えた、垂直空洞レーザを示す概略図である。
第７図は、広帯域共振反射器の反射率特性を示すグラフである。
第８Ａ図は、上部ミラーが共振反射器と分布ブラッグ反射器を組み合わせて含む、共振空洞フォトダイオード（ＲＣＰＤ）を示す概略図である。
第８Ｂ図は、共振反射器２１４がスペーサ層２１６上に直接配置された、共振空洞フォトダイオード（ＲＣＰＤ）２１２を示す概略図である。
第９Ａ図は、波長分割多重化、偏光分割多重化（polarization division multiplexing）、および空間分割多重化の助けとなる実施形態を含む、データ通信／電気通信、処理、交換などのためのいくつかの光電子デバイスを示す例示的な概略図である。
第９Ｂ図は、いくつかのＶＣＳＥＬ放射器およびＲＣＰＤ受光器を示す例示的な概略図である。
第９Ｃ図は、ＶＣＳＥＬ放射器、いくつかのＲＣＰＤ受光器、およびそれらの間の光学的ファン・アウト素子を示す例示的な概略図である。
第９Ｄ図は、単一のモノリシック・デバイス上に位置するＶＣＳＥＬ放射器といくつかのＲＣＰＤ受光器との間の通信を提供するシステムを示す例示的な概略図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
第１図は、従来技術による、プレーナ型かつ電流誘導型の、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ頂面発光型垂直空洞レーザ１０を示す概略図である。ｎ型にドーピングしたガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板１４にｎ型接点１２が形成されている。基板１４は第１の型（すなわちｎ型）の不純物でドーピングされる。ｎ型ミラー・スタック１６は基板１４上に形成される。スタック１６の上にはスペーサ１８が形成される。スペーサ１８は、活性領域２２を取り囲む底部閉込め層２０および上部閉込め層２４を有する。ｐ型ミラー・スタック２６は、上部閉込め層２４上に形成される。ｐ型金属層２８はスタック２６上に形成される。放出領域はパッシベーション層３０を有することがある。
分離領域２９は、活性領域を通る電流の流れ２７の区域を制限する。領域２９は、深いＨ＋イオン注入によって形成することができる。直径「ｇ」は、所望の活性区域、したがってＶＣＳＥＬ１０の利得アパーチャ（ｇａｉｎ  ａｐｅｒｔｕｒｅ）を提供するように設定することができる。さらに、直径「ｇ」は、特に非導電性領域２９を通る、ｐ型ミラー・スタック２６の所望の抵抗によって設定することができる。こうして、非導電性領域２９は利得誘導機能を実行する。直径「ｇ」は、通常は、注入ステップ中の横方向のばらつきなどの製作制限によって制限される。
出口アパーチャ３４の直径「ｗ」は、非導電性領域２９の直径「ｇ」より小さくすることができる。これにより、接触抵抗を低下させ、製作時の許容差を改善することができる。より高次のモードのエネルギーのほとんどはレーザ発振空洞の中央から離れたところに集中するので、これがそのレーザが所与の駆動電流で発生させるモード数を減少させる助けとなることもある。より大きな（通常は多モードの）出力パワーを得るために、直径「ｗ」を「ｇ」より大きくすることもできる。
スペーサ１８は、ミラー・スタック１６と２６の間に配置されたバルクすなわち量子井戸の活性領域を含むことができる。量子井戸活性領域２２は、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）障壁層およびＧａＡｓ量子井戸層が交互に重なる層を有することができる。特にＧａＡｓが透明となる放出波長（例えば＝９８０ｎｍ）が望ましい場合には、ＩｎＧａＡｓ量子井戸を活性領域中で使用することもできる。スタック１６および２６は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）のスタックであり、ドーピングされたＡｌＧａＡｓおよびアルミニウムヒ素（ＡｌＡｓ）の周期層を含むことができる。スタック１６のＡｌＧａＡｓは基板１４と同じ型（例えばｎ型）の不純物でドーピングされ、スタック２６のＡｌＧａＡｓはその他の種類（例えばｐ型）の不純物でドーピングされる。
金属接触層１２および２８は、レーザ・ダイオード１０の適当な電気的バイアスを可能にするオーミック接触である。レーザ・ダイオード１０が、接点２８を接点１２に対して正の電圧にして順方向バイアスされると、活性領域２２は、スタック２６を通過する光３１を放出する。
第２図は、共振反射器５２と分布ブラッグ反射器５６を含む混成上部ミラーを備えた、プレーナ型かつ電流誘導型の、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ頂面発光型垂直空洞レーザ５０を示す概略図である。本発明の一実施形態では、誘電体導波路回折格子中の導波モード共振の異常フィルタリング特性と、従来のＤＢＲミラーの反射特性とを組み合わせる。
図示の共振反射器５２は、近赤外線ＶＣＳＥＬ中で使用するのに適した３層導波路回折格子構造を含む。この３層スタックは、ＶＣＳＥＬ構造の基板の放出波長付近で反射防止（ＡＲ）コーティングとして機能するように設計することも、またそれとは別に導波モードの共振反射器の導波路回折格子として機能するように設計することもできる。３つの層５２は、共振波長を含む少なくとも所定範囲の波長では拡散反射がほとんどない反射防止領域を形成することができる。やはり５２に示す回折格子多層導波路構造により、この構造は、少なくとも共振波長では大幅に反射性が高くなる。
別法として、この３層スタックは、ＶＣＳＥＬ構造の基板のための高反射率コーティングとして機能するように設計することも、またそれとは別に導波モードの共振反射器の導波路回折格子として機能するように設計することもできる。この実施形態では、３つの層５２は、共振波長を含む少なくとも所定範囲の波長（例えば９８０ｎｍ付近）で拡散反射率を提供する、高反射性ミラー領域を形成する。層６６および６８を含む上部ミラーの全体的な拡散反射率は、レーザ発振に必要な拡散反射率未満にすることができる。これは、例えば、上部ＤＢＲミラー５６中のミラー周期（mirror period）の数を減少させることによって実施することができる。回折格子層５８により、導波モードの共振反射器構造５２は、少なくとも共振波長付近では大幅に反射性が高くなる。上記の両実施形態では、共振反射器領域の下のＤＢＲミラー層の数は、従来のＶＣＳＥＬ構成より少なくすることができる。
共振は、回折格子５８のエバネッセントな１次の回折次数の波数ベクトルを、多層導波路５２の伝搬モードと整合させることによって、共振反射器５２中で達成される。伝搬モードは偏光に依存するので、拡散反射率は本質的に偏光選択的である。共振波長は主に回折格子の周期６０によって決定され、帯域幅は主に、回折格子５８の屈折率の変調および充填率によって決定される。
通常の近赤外線ＶＣＳＥＬは、高い反射率（＞９９％）を必要とする。したがって、半導体だけからなるＤＢＲは、通常は、２〜４μｍの厚さの２０〜４０のミラー周期を必要とする。したがって、活性スペーサ領域を取り囲む上部ＤＢＲミラーおよび底部ＤＢＲミラーを含む、ＶＣＳＥＬを完全にするために必要な上側構造は、通常は、７〜８ｍを超える厚さを有する２００を超える層を含む。
ミラーの厚さを薄くするために、本発明の少なくとも１つの実施形態では、混成ミラー構造を企図する。混成ミラー構造は、例えば、共振反射器５２およびＤＢＲミラー５６を含む。明確に図示してはいないが、底部ミラーが共振反射器構造を含むこともできることが企図されている。誘電体共振反射器５２は、共振時に反射性が高くなり、この同じ波長で、対応するＤＢＲ型ミラーより反射性を高くすることができることは既知である。したがって、この混成手法を使用することにより、所与の拡散反射率で必要となるＤＢＲミラー周期の数を減少させることができることが企図されている。
ＤＢＲミラーを通る利得誘導領域６２のイオン注入中の横方向のばらつきの影響が、しばしば活性領域の横方向の寸法６４を１０μｍまでに制限することは既知である。これは、達成可能な最低しきい値電流、単一モード動作に直接影響を及ぼし、ＶＣＳＥＬの速度に間接的に影響を及ぼす。共振反射器を上部ミラー中に組み込むことにより、５倍から１０倍薄い構造中で、同等の、またはより優れた拡散反射率特性を達成することができる。これは、より制御し易いイオン注入をもたらし、それにより活性領域の体積を減少させることができる。活性領域が小さくなると、デバイスの動作電流および動作パワーを低下させ、平面性を改善し、それによりエレクトロニクスおよびスマート・ピクセル（smart pixel）とＶＣＳＥＬのモノリシックな集積性を改善し、モード制御性の高い制御可能な単一モード単一偏光の放出を実現することができる。
本発明の混成手法は、エッチングしたピラー（pillar）（平坦化および／または再成長を行う、あるいは行わない）や横方向酸化、選択的成長などを含む代替の既存の利得誘導技術と両立するものであることが分かる。ＶＣＳＥＬミラーの全体的な厚さを薄くすることにより、共振反射器は、代替の電流誘導手法の処理可能性および性能を改善することができる。
第２図に示す実施形態では、Ｗａｎｇ他が提案するものより広い帯域幅を有する広帯域共振反射器５２は、ＶＣＳＥＬ（またはＲＣＰＤ）ミラーの一方または両方に取って代わることができる、あるいは上述の１つまたは複数のＤＢＲミラーと組み合わせて使用することができる。上記で示したように、共振反射器の帯域幅は主に、回折格子の屈折率および充填率の変調によって決定される。したがって、本発明では、ＶＣＳＥＬおよび／またはＲＣＰＤデバイスと組み合わせて、比較的広い帯域幅（ＦＷＨＭ＞１ｎｍ）を有する広帯域共振反射器を提供することを企図する。
共振反射器の帯域幅は、ＶＣＳＥＬデバイスとＲＣＰＤデバイスの間のデータ通信の信頼性を高めるのに十分に広いことが好ましい。第７図は、共振波長８４４．６ｎｍ、ＦＷＨＭ＝２．３ｎｍの共振反射器から得られる反射率特性のシミュレーション結果を示すグラフである。特にＲＣＰＤデバイス、および多モード放出を行うためのＶＣＳＥＬデバイスの場合には、さらに広い帯域幅が企図される。
第３図は、導波路回折格子構造の任意の１つの層中の屈折率の虚数部に対して２つの値（ｋ＝０および１０-5）を想定し、またその他２つの層中ではｋ＝０であると想定して、共振反射器の拡散反射率曲線を示すグラフである。共振反射器の構造は、図示のように３層構造である。最上層、中間層、および最下層はそれぞれ、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ＧａＡｓ、およびＡｌＧａＡｓで形成されることが好ましい。最上層、中間層、および最下層の屈折率はそれぞれ、１．９６、３．５、および３．２４であり、最上層、中間層、および最下層の厚さはそれぞれ、／４、３／４、／４である。これらの層は、実効反射率が３．３となる基板上にある。この構造は、１つの横波（ＴＥ）モード共振（回折格子と平行な偏光による）で、垂直共振でなく、１０-6に近い低い共振外れの拡散反射率となるようにシミュレートしたものである。
屈折率の虚数部「ｋ」は、共振反射器の光吸収率および電気伝導率に関係する。共振反射器を通して活性領域中に電流を注入するのに必要な最低導電率にほぼ対応する、ｋ＝１０-5の場合には、約５％の吸収を生じる。同じ３層が、誘電体共振反射器であることを示すｋ＝０であれば、理論上は１００パーセントの拡散反射率を生じる。
電気伝導率および高い反射率を同時に実現する共振反射器を提供するのに適した材料は容易に入手することができないことが分かっている。これに鑑みて、共振反射器およびＤＢＲミラー・スタックを組み合わせた混成ミラー手法を企図する。
３層共振反射器は、約５周期の従来のＤＢＲと組み合わせて設けることが好ましい（第４図参照）。単純なファブリー・ペロの拡散反射率方程式を使用した直接的な分析によれば、吸収が約５％である（ｋ＝１０-5）共振反射器と組み合わせた５周期ＤＢＲミラーは、全体で約９９．５％の反射率を生じ、これはＶＣＳＥＬミラーに十分な値を超えている。ＤＢＲ層の拡散反射率が、共振反射器に達する透過した光放出の強度を約１０パーセントに制限するので、これは直感的に明らかである。ＤＢＲミラーの周期が５程度であっても、ＤＢＲスタックは従来のＶＣＳＥＬのＤＢＲミラーより５倍以上薄い。
導電性共振反射器を用意することにより、共振反射器を通して電流を注入することができる。これにより、ＶＣＳＥＬデバイスまたはＲＣＰＤデバイスの接点を、共振反射器上、またはその中に、活性領域からさらに離して配置することができるようになる。これにより、多くのＶＣＳＥＬデバイスおよびＲＣＰＤデバイスの製作を可能に、または容易にすることができる。
第４図は、上部接点１０２が、導電性共振反射器１０６の導波路回折格子１０４の上部に位置決めされた、第２図に示すものと同様の垂直空洞レーザ１００を示す概略図である。この実施形態では、共振反射器１０６を導電性にし、バイアス電流がＤＢＲミラー１０８を介して接点１０２から活性領域１１０に流れることができるようにしなければならない。共振反射器は、例えば、ＩＴＯを含む透明な金属などの材料、またはＡｌＧａＡｓなどのドーピングした半導体材料で共振反射器を形成することによって導電性にすることが好ましい。
上記に示したように、共振反射器構造は、通常は、回折格子および導波路を含む、適当に機能する２つのエレメントを有さなければならない。回折格子は、通常は、所望の波長に十分に近い周期を有し、０次のみが伝搬し、特に１次はエバネッセントになるようにしなければならない。適当に構築すれば、回折格子は導波路としての働きもすることができることに留意されたい。
図示の共振反射器１０６は、回折格子層１０４、ならびに２つのフィルム層１１２および１１４を含む３層構造である。上部回折格子層１０４はＩＴＯで形成され、中間の導波路層１１２はＧａＡｓから形成され、最下層１１４はＡｌＧａＡｓから形成されることが好ましい。層１１２および１１４は、例えば炭素をドーピングして、導電率を高くすることができる。共振反射器の各層の厚さは、／４の奇数倍であることが好ましい。例えば、最上層、中間層、および最下層の厚さはそれぞれ、／４、３／４、および／４となることが好ましい。
３層共振反射器を示したが、任意数の層を使用して共振反射器を形成することができるものと考えられる。さらに、回折格子層１０４は、層１１２および１１４の上部に位置決めする必要はない。その代わりに、Ｗａｎｇ他に示されているように、回折格子層１０４を例えば層１１２と１１４の間に位置決めすることもできる。
導波のために、３層のうち少なくとも１つの層は、共振反射器１０６を取り囲む材料より高い屈折率でなければならない。図示の実施形態では、この取り囲む材料は、上部では空気、底部ではＤＢＲミラーの層１１８を含む層およびその下の層である。したがって、図示の実施形態では、３つの層１０４、１１２、および１１４のうち少なくとも１つは、空気（ｎ＝１）およびＤＢＲミラー１０８の有効屈折率より大きな屈折率でなければならない。ＤＢＲミラー１０８は、ドーピングしたＡｌＧａＡｓ層から形成することができる。
第５Ａ図は、共振反射器１３４の導波路回折格子１３２が上部接点として機能する、第３図に示すものと同様の垂直空洞面発光型レーザ１３０を示す概略図である。第４図に示すように上部接触層１０２を設けるのではなく、この実施形態では、上部接点として導波路回折格子層１３２を使用することを企図する。上部導波路回折格子層１３２は、ＩＴＯなどの透明な金属から形成することが好ましく、回折格子は、図示のようにＶＣＳＥＬの出口アパーチャの上または下に形成される。中間層１３４および最下層１３６はそれぞれ、ＧａＡｓおよびＡｌＡｓから形成されることが好ましい。最上ＤＢＲミラー層１３８はＡｌＧａＡｓから形成されることが好ましい。
第５Ｂ図は、共振反射器の導波路回折格子が接点と異なる材料から形成されることを除けば第５Ａ図に示すものと同様の、垂直空洞レーザを示す概略図である。この実施形態では、回折格子１４０は例えばＳｉＯ2から形成することができ、接点部分１４２はＡｕから形成することができる。これにより、ＶＣＳＥＬデバイスまたはＲＣＰＤデバイスの代替構成を提供することができる。
第６図は、従来の上部ミラーを広帯域共振反射器１５２で置き換えた、垂直空洞レーザ１５０を示す概略図である。共振反射器の帯域幅は、Ｗａｎｇ他が提案したものより広い。上記に示したように、共振反射器の帯域幅は、主に、回折格子の屈折率および充填率の変調によって決定される。したがって、本発明では、ＶＣＳＥＬデバイスまたはＲＣＰＤデバイスと組み合わせて、比較的広い帯域幅（ＦＷＨＭ＞１ｎｍ）を有する広帯域共振反射器を提供することを企図する。
共振反射器の帯域幅は、ＶＣＳＥＬデバイスとＲＣＰＤデバイスの間のデータ通信の信頼性を高めるのに十分に広いことが好ましい。第７図は、共振波長８４４．６ｎｍ、ＦＷＨＭ＝２．３ｎｍの共振反射器のシミュレートした拡散反射率特性を示すグラフである。これらのより広い帯域幅は、特にＲＣＰＤデバイス、および多モード放出を行うためのＶＣＳＥＬまたは共振空洞ＬＥＤの場合に企図される。
接点１５６は、共振反射器１５２と活性領域１５４の間に設けられる。したがって、この実施形態では、共振反射器１５２は導電性である必要はなく、またＤＢＲミラー・スタックと組み合わせる必要もない。
ただし、上記の第２図および第４図に示すように、広帯域共振反射器１５２をＤＢＲと組み合わせることもできることが分かっている。また、広帯域共振反射器１５２を少なくとも部分的に導電性にし、構造内での接点１５６の位置決めをフレキシブルにすることができることも考えられる。最後に、第８Ａ図から第８Ｂ図に関連して後述するように、広帯域共振反射器を使用して、ＲＣＰＤデバイスまたはＲＣＬＥＤデバイスを形成することもできる。
第８Ａ図は、上部ミラーが共振反射器２０２と分布ブラッグ反射器２０４を組み合わせて含む、共振空洞フォトダイオード（ＲＣＰＤ）２００を示す概略図である。図示の実施形態では、共振反射器２０２は導電性となり、回折格子層２１０は上部接点の働きもする。この混成ミラー手法の利点は、共振反射器２０２を導電性にすることができ、導電性共振反射器２０２中の反射率の損失分をＤＢＲミラー２０４によって提供することができる点である。
ＲＣＰＤの応用例では、Ｗａｎｇ他が提案したものより帯域幅が広く反射率が低い広帯域共振反射器２０２は、従来のＲＣＰＤのＤＢＲミラーの一方または両方に取って代わる（第８Ｂ図参照）ことも、図示のＲＣＰＤのＤＢＲミラーの１つまたは複数と組み合わせて使用することもできる。上記に示したように、共振反射器の帯域幅は、主に、回折格子の屈折率および充填率の変調によって決定される。したがって、本発明では、ＲＣＰＤデバイス２００と組み合わせて、比較的広い帯域幅（ＦＷＨＭ＞１ｎｍ）を有する広帯域共振反射器を提供することを企図する。
共振反射器の帯域幅は、ソースとＲＣＰＤデバイスの間のデータ通信の信頼性を高めるのに十分に広いことが好ましい。第７図は、共振波長８４４．６ｎｍ、ＦＷＨＭ＝２．３ｎｍの共振反射器を示すグラフである。ＲＣＰＤデバイスの波長吸収を１ｎｍより大きくし、例えば送信側のＶＣＳＥＬデバイスおよび／または受信側のＲＣＰＤデバイスを製造する際の許容差、デバイスの位置合わせ（例えば入射角）、ノイズ、熱、ならびにその他の要因を含むいくつかの要因を補償すると有利であることがある。
第８Ｂ図は、共振反射器２１４がスペーサ層２１６上に直接配置された、共振空洞フォトダイオード（ＲＣＰＤ）２１２を示す概略図である。この実施形態では、従来のＤＢＲ上部ミラーは、共振反射器２１４で取って代わられている。共振反射器２１４の帯域幅は、ソースとＲＣＰＤデバイスの間のデータ通信の信頼性を高めるのに十分に広いことが好ましい。
第８Ａ図および第８Ｂ図は、いくつかの例示的なＲＣＰＤ設計の特徴を示す図であり、その一部は当技術分野で既知である。第１に、ＲＣＰＤデバイスの上部または底部のどちらかから光がＲＣＰＤデバイスに入射できることは既知である。第８Ａ図は、ＲＣＰＤデバイスの上部から光が入射する場合を示す。第８Ｂ図は、ＲＣＰＤデバイスの底部から光が入射する場合を示す。
図示のように光をＲＣＰＤ２１２の底部に入射させて基板を通すために、ＲＣＰＤ２１２は約９８０ｎｍで動作することができるものと企図する。８７０ｎｍより長い波長を有する光は一般にＧａＡｓ基板に吸収されず、基板２２０をそのまま通過して底部ミラー中に入ることができることは既知である。ＲＣＰＤ２１２が９８０ｎｍで動作するようにするために、活性領域２１８が、約８５０ｎｍで動作する従来のＧａＡｓ量子井戸構造ではなく、ＩｎＧａＡｓ量子井戸構造を含むように企図する。
第９Ａ図は、データ通信／電気通信、処理、交換などに使用することができる、いくつかのＶＣＳＥＬデバイス、ＲＣＬＥＤデバイス、および／またはＲＣＰＤデバイスを示す例示的な概略図である。集積共振反射器を有するＶＣＳＥＬデバイスおよびＲＣＰＤデバイスは、本質的にサイズが小さく、それに付随してパワーが低く速度が速いことにより、高密度高度並列な空間分割多重化（ＳＤＭ）、波長分割多重化（ＷＤＭ）、および／または偏光分割多重化（ＰＤＭ）の利用分野に良く適合する。光通信、処理、交換などは、本発明のデバイスを使用するものと企図されている。
上記に示したように、共振反射器は、偏光出力を生じる導波路回折格子を含む。したがって、共振反射器とＲＣＰＤデバイスの組合せは、１つの望ましい偏光を有する光信号しか検出することができない。同様に、導波路回折格子は、所望の波長を選択することができる。通常は、回折格子のピッチおよび充填率により、所望の波長が選択される。したがって、共振反射器とＲＣＰＤデバイスの組合せは、所望の波長の光信号しか検出することができない。
詳細に第９Ａ図を参照すると、モノリシックに形成されたいくつかのデバイスがまとめて２５０で示してある。導波路回折格子は、何本かの平行線として各デバイスについて示してある。第１のデバイス２５２は、第１の方向に延びる第１のピッチの導波路回折格子を有する。回折格子の方向によって、回折格子で共振反射された光の偏光が決定される。ＶＣＳＥＬデバイスの場合には、こうして出力放出は本質的に偏光する。ＲＣＰＤデバイスの場合には、導波路回折格子と整合する偏光を有する光だけがＲＣＰＤ空洞によって共振反射される。
回折格子のピッチによって、回折格子で共振する光の波長が決定される。ＶＣＳＥＬデバイスの場合には、出力放出は本質的に波長選択的である。ＲＣＰＤデバイスの場合には、選択された波長を有する光だけがＲＣＰＤ空洞中で十分に反射される。
第２のデバイス２５４は、やはり第１の方向に延びる第２のピッチの導波路回折格子を有するものとして示してある。したがって、第２のデバイス２５４は、第１のデバイス２５２と同じ方向に偏りを有する。ただし、第２のデバイスの導波路のピッチが狭くなるほど、第１のデバイス２５２より短い波長を選択する傾向がある。
第３のデバイス２５６は、第１の方向に延びる第３のピッチの導波路回折格子を有するものとして示してある。したがって、第３のデバイス２５６は、第１のデバイス２５２および第２のデバイス２５４と同じ方向に分極する。第３のデバイス２５６の導波路のピッチが広くなるほど、第１のデバイス２５２および第２のデバイス２５４より長い波長を選択する傾向がある。
最後に、第４のデバイス２５８は、第２の方向に延びる第４のピッチの導波路回折格子を有するものとして示してある。したがって、第４のデバイス２５８は、第１、第２、および第３のデバイスと直交する方向に分極する。第４のデバイス２５８の導波路のピッチが狭くなるほど、第１、第２、および第３のデバイスより短い波長を選択する傾向がある。
容易に分かるように、回折格子のピッチおよび／または方向を変えることにより、設計者はリソグラフィによって対応するデバイスの動作波長および偏光を両方とも制御することができる。これにより、分散型の波長および偏光ノードを有するＳＤＭ／ＷＤＭ／ＰＤＭの混成アーキテクチャを可能にすることができる。さらに、任意の偏光を有する光を認めることが望ましい場合には、交差した２つの回折格子が互いに直交するように位置合わせされた共振反射器を製作することができる（例えば２重回折格子）。
ＶＣＳＥＬデバイスおよびＲＣＰＤデバイスに必要な厚さを薄くすると、当然、集積化への適応性は高くなる。平面性が向上すること、および標準的な半導体プレーナのバッチ製作プロセスを利用することにより、生産性を改善することができる。共振反射器の波長、角度、および帯域幅の特性を容易に制御することができることにより、複数素子の集積回路の構築にフレキシビリティを持たせることができる。
共振回折格子の波長選択可能性は、ディスプレイの利用分野にも適用可能である。回折格子自体が動作波長を決定し、製作がリソグラフィで行われるので、横変位波長依存性放射器（laterally-displaced wavelength dependent emitter）が企図される。これは、疑似同調可能レーザ光源として働くこともできる。波長同調可能なＶＣＳＥＬおよび検出器は、分光および感知の利用分野で使用することもできる。
偏光を制御できることに伴う性能の改善は、偏光に敏感な光学的読取り／書込みの利用分野に向いている。ＣＤ、ＤＶＤ、およびホログラフィック記憶装置の応用例には様々な形態が含まれる。レーザ・プリンタのヘッドにも有利であろう。この性能上の利点、およびより薄いミラーを使用することは、通常の完全にエピタキシャルなＤＢＲが極めて厚くなり、多くの層の２倍の厚さを必要とすることがある可視波長までＶＣＳＥＬを拡大する際にさらに重要になる。
第９Ｂ図は、いくつかのＶＣＳＥＬ放射器およびＲＣＰＤ受光器を示す例示的な概略図である。このシステムを概略的に２７０で示す。第１のＶＣＳＥＬデバイス２７２は、第１の偏光および第１の波長を有する光を出力する。第２のＶＣＳＥＬデバイス２７４は、第１のＶＣＳＥＬデバイス２７２と同じ方向に偏光するが、波長が異なる光を出力する。この例示的な実施形態では、第１のＶＣＳＥＬデバイス２７２および第２のＶＣＳＥＬデバイス２７４はそれぞれ、単一のモノリシック・デバイス上に設けられる。
第２のモノリシック・デバイス上には、第１のＲＣＰＤデバイス２７６および第２のＲＣＰＤデバイス２７８が位置決めされる。第１のＲＣＰＤデバイス２７６は、第１のＶＣＳＥＬデバイス２７２の導波路回折格子と整合する導波路回折格子を有する。したがって、第１のＲＣＰＤデバイス２７６は、第１のＶＣＳＥＬデバイス２７２の光出力を受けることができる。同様に、第２のＲＣＰＤデバイス２７８は、第２のＶＣＳＥＬデバイス２７４の導波路回折格子と整合する導波路回折格子を有する。したがって、第２のＲＣＰＤデバイス２７８は、第２のＶＣＳＥＬデバイス２７４の光出力を受けることができる。図示の例示的な実施形態では、第２のモノリシック・デバイスは第１のモノリシック・デバイスから横方向に離れている。
第９Ｃ図は、ＶＣＳＥＬ放射器、いくつかのＲＣＰＤ受光器、およびそれらの間の光学的ファン・アウト素子を示す例示的な概略図である。このシステムでは、ＶＣＳＥＬデバイス３０２は、第１の偏光および第１の波長を有する光出力を提供する。この光出力は、図示のように光学的ファン・アウト素子３０４によって分割される。光学的ファン・アウト素子３０４は、ＲＣＰＤデバイス３０６、３０８、および３１０に光を出力する。
ＲＣＰＤデバイス３０６は、ＶＣＳＥＬデバイス３０２と同じ向きに配向された導波路回折格子を有するが、その回折格子のピッチはＶＣＳＥＬデバイス３０２とは異なる。したがって、ＲＣＰＤデバイス３０６は、ＶＣＳＥＬデバイス３０２の光出力によって活性化されない。
ＲＣＰＤデバイス３１０は、ＶＣＳＥＬデバイス３０２と直交するように配向された導波路回折格子を有し、その回折格子のピッチもＶＣＳＥＬデバイス３０２とは異なる。したがって、ＲＣＰＤデバイス３１０は、ＶＣＳＥＬデバイス３０２の光出力によって活性化されない。
最後に、ＲＣＰＤデバイス３０８は、ＶＣＳＥＬデバイス３０２の配向およびピッチと整合する導波路回折格子を有する。したがって、ＲＣＰＤデバイス３０８は、ＶＣＳＥＬデバイス３０２の光出力によって活性化される。
第９Ｄ図は、単一のモノリシック・デバイス上に位置するＶＣＳＥＬ放射器といくつかのＲＣＰＤ受光器との間で通信するシステムを示す例示的な概略図である。このシステムを概略的に３５０に示す。ＶＣＳＥＬデバイス３５２は、第１の偏光および第１の波長を有する光を出力する。光出力は、図示のように光学素子３５４によって反射され、分配される。その後、ＲＣＰＤデバイス３５６、３５８、および３６０は反射された光出力にさらされる。
ＲＣＰＤデバイス３５６は、ＶＣＳＥＬデバイス３５２と同じ向きに配向された導波路回折格子を有するが、その回折格子のピッチはＶＣＳＥＬデバイス３５２とは異なる。したがって、ＲＣＰＤデバイス３５６は、ＶＣＳＥＬデバイス３５２の光出力によって活性化されない。同様に、ＲＣＰＤデバイス３５８は、ＶＣＳＥＬデバイス３５２と同じ向きに配向された導波路回折格子を有するが、その回折格子のピッチはＶＣＳＥＬデバイス３５２とは異なる。したがって、ＲＣＰＤデバイス３５８は、ＶＣＳＥＬデバイス３５２の光出力によって活性化されない。
しかし、ＲＣＰＤデバイス３６０は、ＶＣＳＥＬデバイス３５２の配向およびピッチと整合する導波路回折格子を有する。したがって、ＲＣＰＤデバイス３６０は、ＶＣＳＥＬデバイス３５２の光出力によって活性化される。
これらの例示的な実施形態は、ＶＣＳＥＬ放射器およびＲＣＰＤ受光器と組み合わせて設けた導波路回折格子が、ＳＤＭ、ＷＤＭ、および／またはＰＤＭの応用分野を容易にサポートすることを示している。光通信、処理、および交換などは、本発明のデバイスを使用するものと企図されている。
以上、本発明の好ましい実施形態について述べたが、本明細書に見られる教示は、添付の特許請求の範囲内でその他の実施形態に適用することができることを当業者なら容易に理解するであろう。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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