(57)【要約】レーザー共振器が、この共振器の光ゲインに関連する光を増幅する活性物質、及びこの活性物質に近接して配置された受動物質を含む。この共振器は１つ以上の光学モードで振動し、光学モードの各々が特定の空間エネルギー分布及び共振周波数に対応する。受動物質の特性に基づいて、光学モードのうち少なくとも１つに対応する特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが活性物質から離れて分布する。受動物質は、活性物質から離れて分布する大部分の光エネルギーを蓄積する低損失物質、及びこの低損失物質と活性物質との間に配置された緩衝物質を含むことができ、この緩衝物質は、低損失物質内に蓄積される光エネルギーの、活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を制御する。
2016526799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーデバイス用の共振器であって、
前記共振器の光ゲインに関連する光を増幅するための少なくとも１つの活性物質と、
前記少なくとも１つの活性物質に近接して配置された少なくとも１つの受動物質とを具え、
前記共振器は１つ以上の光学モードで振動し、前記１つ以上の光学モードの各々が、特定の空間エネルギー分布及び共振周波数に対応し、前記１つ以上の受動物質の特性に基づいて、前記１つ以上の光学モードのうち少なくとも１つに対応する前記特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが前記活性物質から離れて分布するレーザー共振器。
【請求項２】
前記１つ以上の受動物質が、
前記活性物質から離れて分布する前記大部分の光エネルギーを蓄積するための低損失物質と、
前記低損失物質と前記少なくとも１つの活性物質との間に配置された緩衝物質であって、前記低損失物質内に蓄積される光エネルギーの、前記活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を制御するための緩衝物質と
を含む、請求項１に記載のレーザー共振器。
【請求項３】
前記緩衝物質が低い屈折率を有する、請求項２に記載のレーザー共振器。
【請求項４】
前記緩衝物質が二酸化シリコンを含む、請求項３に記載のレーザー共振器。
【請求項５】
前記活性物質がIII-V族物質を含む、請求項１に記載のレーザー共振器。
【請求項６】
前記低損失物質がシリコンを含む、請求項１に記載のレーザー共振器。
【請求項７】
前記１つ以上の受動物質のうち少なくとも１つが、前記少なくとも１つの活性物質に接合され、前記１つ以上の受動物質が、当該受動物質の各々に対応する１つ以上の受動層内に配置され、前記少なくとも１つの活性物質が、前記１つ以上の受動物質のうち１つにウェハー接合された層を含む、請求項１に記載のレーザー共振器。
【請求項８】
前記低損失物質が、孔の略直線状のパターンを有して構成され、前記構成された孔のパターンによって、前記共振器の振動周波数、出力率、及び出力モード・プロファイルが決まる、請求項１に記載のレーザー共振器。
【請求項９】
前記構成された孔のパターンが、
略均一なサイズの孔のアレイと、
前記略均一な孔のアレイ内に配置された欠陥と
を具えている、請求項８に記載のレーザー共振器。
【請求項１０】
前記欠陥が前記略均一なサイズに関係し、前記欠陥が、前記略均一な孔のアレイ上、前記略均一な孔のアレイの中心領域内または当該中心領域付近に配置されている、請求項９に記載のレーザー共振器。
【請求項１１】
半導体ダイと、
前記半導体ダイ上に配置された請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザー共振器と
を具えたレーザーデバイス。
【請求項１２】
前記半導体ダイに取り付けられ、前記半導体ダイと共に、前記活性物質内に発生する熱を前記レーザー共振器から除去するように構成されたヒートシンクをさらに具えた、請求項１１に記載のレーザーデバイス。
【請求項１３】
前記半導体ダイに取り付けられ、前記半導体ダイと共に、前記レーザー共振器の出力特性を測定するように構成された検出器構成要素をさらに具え、前記出力特性を測定することが、前記共振器の出力の高周波数ノイズ・スペクトルを計算すること、及び前記共振器の出力の低周波数の変動の測定を抑制することを含む、請求項１１に記載のレーザーデバイス。
【請求項１４】
光共振器の少なくとも１つの活性物質における光ゲインに関連する光を増幅するステップと、
前記共振器内に空間エネルギーを分布させるステップとを含むレージング方法であって、
１つ以上の受動物質が前記少なくとも１つの活性物質に近接して配置され、前記共振器は１つ以上の光学モードで振動し、前記１つ以上の光学モードの各々が、特定の空間エネルギー分布及び共振周波数に対応し、前記１つ以上の受動物質の特性に基づいて、前記１つ以上の光学モードのうち少なくとも１つに対応する前記特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが前記活性物質から離れて分布するレージング方法。
【請求項１５】
前記１つ以上の受動物質が、
前記活性物質から離れて分布する前記大部分の光エネルギーを蓄積するための低損失物質と、
前記低損失物質と前記少なくとも１つの活性物質との間に配置された緩衝物質であって、前記低損失物質内に蓄積される光エネルギーの、前記活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を制御するための緩衝物質と
を含む、請求項１４に記載のレージング方法。
【請求項１６】
光共振器の少なくとも１つの活性物質における光ゲインに関連する光を増幅する手段と、
前記共振器内に空間エネルギーを分布させる手段とを具えたレージング用のシステムであって、
１つ以上の受動物質が前記少なくとも１つの活性物質に近接して配置され、前記共振器は１つ以上の光学モードで振動し、前記１つ以上の光学モードの各々が、特定の空間エネルギー分布及び共振周波数に対応し、前記１つ以上の受動物質の特性に基づいて、前記１つ以上の光学モードのうち少なくとも１つに対応する前記特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが前記活性物質から離れて分布するレージングシステム。
【請求項１７】
前記１つ以上の受動物質が、
前記活性物質から離れて分布する前記大部分の光エネルギーを蓄積するための低損失物質と、
前記低損失物質と前記少なくとも１つの活性物質との間に配置された緩衝物質であって、前記低損失物質内に蓄積される光エネルギーの、前記活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を制御するための緩衝物質と
を含む、請求項１６に記載のレージングシステム。
【請求項１８】
レーザー共振器を製造する方法であって、
１つ以上の受動物質を半導体基板上に配置するステップと、
少なくとも１つの活性物質を、前記１つ以上の受動物質に近接して配置するステップとを含み、
前記レーザー共振器の光ゲインに関連する光が、前記少なくとも１つの活性物質において増幅され、空間エネルギーが前記共振器内に分布し、前記共振器が１つ以上の光学モードで振動し、前記１つ以上の光学モードの各々が、特定の空間エネルギー分布及び共振周波数に対応し、前記１つ以上の受動物質の特性に基づいて、前記１つ以上の光学モードのうち少なくとも１つに対応する前記特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが前記活性物質から離れて分布する、レーザー共振器の製造方法。
【請求項１９】
前記１つ以上の受動物質が、
前記活性物質から離れて分布する前記大部分の光エネルギーを蓄積するための低損失物質と、
前記低損失物質と前記少なくとも１つの活性物質との間に配置された緩衝物質であって、前記低損失物質内に蓄積される光エネルギーの、前記活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を制御するための緩衝物質と
を含む、請求項１８に記載のレーザー共振器の製造方法。
【請求項２０】
請求項１８または請求項１９に記載の方法における処理ステップによって製造されるレーザー製品であって、請求項１２または１３に記載のヒートシンクまたは検出器構成要素を具えたレーザー製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願のクロスリファレンス
本願は、関連する同時係属出願の米国特許仮出願第６１／８４２７７０号、２０１３年７月３日出願に基づいて優先権を主張し、その全文を本明細書に記載されているものとして参照する形で本明細書に含める。
【０００２】
政府助成金の声明
本願は、米陸軍調査室によって発注された契約第W911NF-10-1-0103号、及び米国防総省の国防高等研究事業局（ＤＡＲＰＡ：Defense Advanced Research Projects Agency）によって発注された契約第HR0011-12-C-0006号の下で、米国政府の支援によりなされた発明に関するものである。米国政府は、本願に関連する発明において特定の権利を有する。
【０００３】
技術分野
本発明の好適例は、一般に光源に関するものである。特に、本発明の好適例は高コヒーレンス（干渉性）半導体光源に関するものである。
【背景技術】
【０００４】
分布帰還型（ＤＦＢ：distributed feedback）レーザーは、レーザー・ダイオード（ＬＤ：laser diode）のような半導体デバイス内に配置することができる。ＤＦＢ ＬＤの活性領域は、回折格子を具えて、狭い波長帯域にわたるレーザーの光フィードバックを提供することができ、この狭い波長帯域は、上記回折格子を製造するに当たり設けたピッチに応じて選択することができる。ＤＦＢレーザーの狭い出力スペクトル特性は、光通信におけるＤＦＢレーザーの有用性を生じさせ、光通信では、光ファイバー及び他の伝送媒体のネットワーク上で情報を交換する。従来の半導体分布帰還型レーザーは、１９７０年代半ばから、光ファーバー系のインターネット及び関連するネットワークにエネルギーを供給するための光源として用いられてきた。それ以来、より大きい帯域幅に対する需要及びデータレートの増加に伴い、大量のネットワーク・トラフィックが急上昇した。
【０００５】
例えば、ここ２０年間にわたるインターネットの急成長は、帯域幅に対する需要の幾何学的な増加を生じさせた。既存の通信方法は、一般に、こうした帯域幅の需要を、多数のチャネルを有する光ファイバーによって満たしている。高密度波長分割多重変調（ＤＷＤＭ：dense wavelength division multiplexing）技術を用い、これら多数のチャネルの各々は、他のチャネルのそれぞれの光波長とは異なる光波長を有する。
【０００６】
光源の強度を１０Gb/sまでの速度で変調（例えば、オン／オフ変調）することによって、情報は、１ビット／パルスでＤＷＤＭネットワーク上を伝送される。最高データレートは、一般に光学的障害によって制限され、こうした光学的障害は光ファイバーの伝送媒体によって誘発または導入される。変調速度の限界を伴う、光スペクトル内で利用可能な数のチャネルの十分な利用は、常に増加する帯域幅に対する需要を満たすための代わりの情報伝送方式の探究を促した。
【０００７】
これまでより高いデータレートで情報を伝送することに対する需要の増大は、コヒーレント通信の開発をもたらし、コヒーレント通信では、情報を光波上に符号化し、この符号化は原則的に光波の位相の変調を用いる。従来型ＤＦＢレーザーの位相安定性は、これらのＤＦＢレーザーに特有の位相コヒーレンス特性または時間的コヒーレンス特性に関連する量子ベースの限界によって制限される。従って、従来型ＤＦＢレーザーのチャネル容量は、ネットワークをコヒーレント通信に移行することによって課せられる需要に対処するには不十分である。
【０００８】
従って、半導体ＤＦＢレーザーでは、コヒーレンスの改良が長きにわたって追求されてきた。以前の取り組みは、レーザー・キャビティの延長、レーザー内部の縦光学モードの設計のための複数の位相シフト、活性レーザー媒質、例えば歪みＱＷ（quantum well：量子井戸）の最適化、及び波長離調（デチューニング）を用いてきた。
【０００９】
しかし、市販または他の従来または現在技術のレーザーにおいてこうした技術を用いて実現されるスペクトル線幅は、未だに大きいままである。例えば、従来型ＤＦＢレーザーのスペクトル線幅は１００kHz以上のままであり、この線幅値自体は、高いポンプ電流のみを用いて達成することができる狭さを反映している。しかし、このレベルの線幅は、多相コヒーレント通信及び他の有用な用途がもたらす需要を満たすには大き過ぎる。
【００１０】
一部のファイバー系のレーザーは１kHz未満の線幅を有し、外部キャビティ・レーザー（ＥＣＬ：external cavity laser）は１０kHz未満の線幅を有して高いコヒーレンス特性を有する。しかし、これらは一般に大型で複雑な構造を有し、このため、これらは増大するネットワークの物理的スケーリングの需要に適合しなくなる。
【００１１】
現代の光通信ネットワークは、専ら、ＤＦＢ ＬＤを含む従来型半導体レーザーによってエネルギーを供給され、このことは、従来型半導体レーザーの小型のサイズ、高出力、高効率、低コスト、及び関連する電子回路と集積する機会があり得るといった利点に起因する。しかし、従来型半導体レーザーの、主に特有の量子力学的原因の無視できない位相ノイズ特性により、従来型半導体レーザーは、一般的な従来型ＤＦＢ ＬＤを含めて、一般に、超高速通信ネットワークに合わせたスペクトル純度の厳しい要求を満たすことができない。
【００１２】
従って、ＤＷＤＭを用いずに、コヒーレント通信ネットワークによって課せられる要求に対処することができる半導体分布帰還型レーザーが有用である。従って、従来型ＤＦＢレーザーに特有の量子ベースの位相または時間的コヒーレンス特性のない分布帰還型レーザーも有用である。さらに、分布帰還型レーザーの位相または時間的コヒーレンス特性及びチャネル容量を従来型ＤＦＢレーザーに対して大幅に改善することが有用である。
【００１３】
しかし、本節で説明した取り組みは、以前は必ずしも着想または追求されてこなかった。特に断りのない限り、上述したいずれの取り組みも、単にこうした説明のいずれかによって主張されるいずれかの従来技術を含むものと考えるべきでない。同様に、これらの取り組みのいずれかに関して説明したあらゆる問題が、単に上記のこうした説明のいずれかに基づいて主張される従来技術のいずれにおいても認識されているものと考えるべきでない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の好適例は、レーザーデバイス用の共振器に関するものである。このレーザー共振器は、当該共振器の光ゲイン（光学利得）に関連する光を増幅するための少なくとも１つの活性物質を有する。このレーザー共振器は、少なくとも１つの活性物質に近接して配置された１つ以上の受動物質も有し、この共振器は１つ以上の光学モードで振動し、これら１つ以上の光学モードの各々が、特定の空間エネルギー分布及び共振周波数に対応し、上記１つ以上の受動物質の特性に基づいて、上記１つ以上の光学モードのうち少なくとも１つに対応する特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが上記活性物質から離れて分布する。
【００１５】
上記１つ以上の受動物質は、上記活性物質から離れて分布する大部分の光エネルギーを蓄積するための低損失物質を含むことができる。上記１つ以上の受動物質は、この低損失物質と上記少なくとも１つの活性物質との間に配置された緩衝物質も含むことができ、この緩衝物質は、低損失物質内に蓄積される光エネルギーの、活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を制御する。この緩衝物質は、屈折率の低い二酸化シリコンのような物質を含むことができる。活性物質はIII-V族物質を含むことができ、低損失物質はシリコンを含むことができる。上記受動物質は層の形に配置することができ、これらの層の少なくとも１つは、活性物質を有する層と接合（例えばウェハー接合）される。
【００１６】
上記低損失の受動物質は、孔のパターンを有するように構成することができる。構成される孔のパターンによって、共振器の振動周波数、出力率、及び出力モード・プロファイルを定めることができ、そしてこの共振器からの自然放出を防止する。こうした孔のパターンは、直線状または略直線状のアスペクト（縦横比）のような一次元（１Ｄ：one dimensional）構成を有することができる。構成される孔のパターンは、略均一なサイズの孔の略均一なアレイ、及び孔の略均一なアレイ内（例えばアレイ上、アレイの中心領域内またはほぼ中心領域内）に配置された（例えば、上記略均一なサイズに関連する）欠陥を含むことができる。
【００１７】
本発明の好適例は、こうした共振器を半導体ダイ上に配置したレーザーデバイスにも関するものである。このレーザーデバイスはヒートシンク構成要素を有することができ、このヒートシンク構成要素は、半導体ダイに取り付けられ、半導体ダイと共に、上記活性物質内に発生する熱をレーザーデバイスの共振器から除去するように構成されている。このヒートシンクは、上記レーザー共振器の活性物質に対してエピタキシャル側を下にした構成（あるいは他の構成）で半導体ダイに取り付けることができる。このレーザーデバイスは検出器構成要素を有することもでき、この検出器構成要素は、半導体ダイに取り付けられ、半導体ダイと共にレーザー共振器の出力特性を測定するように構成されている。この出力特性は、共振器出力の周波数ノイズ関連の成分を測定することに関するものとすることができ、この測定は、共振器出力の高周波数ノイズ・スペクトルを計算すること、及び共振器出力の低周波数の変動の測定を抑制することを含むことができる。
【００１８】
本明細書では、レージング（レーザー発振）とは、１つ以上の赤外、可視、紫外、等の波長にわたってコヒーレント光をレーザー（laser: light amplification by stimulated emission of radiation）プロセスによって発生することを称する。本発明の好適例はレージング（レーザー発振）方法に関するものであり、この方法は、光共振器の少なくとも１つの活性物質における光ゲインに関連する光を増幅するステップと、この共振器内に空間エネルギーを分布させるステップとを含み、１つ以上の受動物質が上記少なくとも１つの活性物質に近接して配置され、この共振器は１つ以上の光学モードで振動し、これら１つ以上の光学モードの各々が、特定のエネルギー分布及び共振周波数に対応し、上記１つ以上の受動物質の特性に基づいて、上記１つ以上の光学モードのうち少なくとも１つに対応する特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが上記活性物質から離れて分布する。
【００１９】
上記１つ以上の受動物質は、上記活性物質から離れて分布する大部分の光エネルギーを蓄積するための低損失物質、並びに緩衝物質を含むことができ、この緩衝物質は、上記低損失物質と上記少なくとも１つの活性物質との間に配置され、低損失物質内に蓄積される光エネルギーの、活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を効果的に制御する。本発明の好適例は、こうしたレージング・プロセスを持続させるためのレーザー、例えばシステム、装置、製品、等、並びにこれらを製造する方法に関するものである。
【００２０】
こうして、好適例は、高Ｑ値、機能分離半導体レーザー（高Ｑ値ＳＦＬ（separated function laser））を実現することができ、こうした半導体レーザーは、高品位の従来型ＤＦＢレーザーに対して大幅に改善された位相コヒーレンスによって特徴付けられる。例えば、本発明の好適例は、一般に使用される１．５５ミクロン（μm）の光通信波長において１８キロヘルツ（kHz）のスペクトル線幅を有する高Ｑ値ＳＦＬで実現される。
【００２１】
本発明の好適例は、光位相変調及び／または光直交振幅変調を用いて情報を複素２Ｄ（二次元）位相平面上で符号化して実現される。従って、光位相／直交振幅変調（ＰＱＡＭ：phase quadrature amplitude modulation）の使用によりＤＷＤＭを不要にすることができる。
【００２２】
好適例の実現は、受信機においてコヒーレント検出（ＣＤ：coherent detection）を用いて、送信機においてこのように符号化された光信号の全領域を、この信号の振幅及び位相を含めて復元する。コヒーレント検出は、ファイバーが誘発する光学的障害をデジタル信号処理（ＤＳＰ：digital signal processing）技術を用いて補正または補償する本発明の好適例の実現を可能にする。従って、実現の例は、一般に用いられる直接検出法の能力を超える。
【００２３】
以下、本発明の実施形態を、高コヒーレンス半導体光源に関して説明する。以下の説明は次の図面を参照し、これらの図面は本願の明細書の一部で構成される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】種々のスペクトル効率の変調方式を表すコンスタレーション図の例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態による、位相変調におけるノイズ効果の例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態による、自然放出事象の例の位相ベクトル表現を示す図である。
【図４】本発明の実施形態による、ハイブリッドSi/III-V族レーザーの第１例の概略断面図である。
【図５】本発明の実施形態による、高Ｑ値フォトニック共振器の例の上面図である。
【図６】本発明の実施形態による、ハイブリッドSi/III-V族レーザーの第２例の概略断面図である。
【図７Ａ】線幅に対する量子ノイズ効果の表現を示す図である。
【図７Ｂ】線幅に対する量子ノイズ効果の表現を示す図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態による、熱放散構成の第１例を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態による、熱放散構成の第２例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態による、製造工程の例のフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態による、高Ｑ値ＳＦＬデバイスの例の断面図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態による、高Ｑ値ＳＦＬデバイスの例の透視図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態による、高Ｑ値ＳＦＬデバイスの例の格子構成要素の例を示す図である。
【図１２Ａ】本発明の実施形態による、格子構成要素の幾何学的形状の上面図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施形態による、高Ｑ値共振器の例の空間的帯域構造を、この高Ｑ値共振器に関連してシミュレーション計算した透過スペクトルに対してプロットして示す図である。
【図１２Ｃ】本発明の実施形態による、局所単位セルの例の分散図である。
【図１２Ｄ】本発明の実施形態による、高Ｑ値ハイブリッド共振器の縦場についてシミュレーション計算した強度プロファイルを示す図である。
【図１２Ｅ】本発明の実施形態による、高Ｑ値ハイブリッド共振器の例の、縦場のフーリエ成分振幅分布を示す図である。
【図１２Ｆ】本発明の実施形態による、高Ｑ値ＳＦＬの例についてシミュレーション計算した放出スペクトルを示す図である。
【図１３Ａ】本発明の実施形態による、種々の動作温度にわたって光パワーをポンプ電流に対してプロットした図である。
【図１３Ｂ】本発明の実施形態による、種々の動作温度にわたって光（光パワー出力）をポンプ電流に対してプロットした図である。
【図１３Ｃ】本発明の実施形態による、特定温度かつ所定ポンプ電流における高Ｑ値ＳＦＬの例の光スペクトルを示す図である。
【図１３Ｄ】本発明の実施形態による、特定温度かつ所定駆動電流における種々の格子周期の高Ｑ値ＳＦＬの例の光スペクトルを示す図である。
【図１４】本発明の実施形態による、高Ｑ値ＳＦＬの例の周波数ノイズ・スペクトルを示す図である。
【図１５Ａ】本発明の実施形態による、高Ｑ値ＳＦＬの例のシャーロウ−タウンズ線幅を、閾値からのオフセットポンプ電流の関数として示す図である。
【図１５Ｂ】本発明の実施形態による、シャーロウ−タウンズ線幅を、例えばいくつかの別個の半導体チップ上に製造した多数のレーザー・バーにわたって実装した高Ｑ値ＳＦＬデバイスのそれぞれの放射波長の関数として示す図である。
【図１６Ａ】従来型レーザーの代表的なモード・エネルギー分布を示す図である。
【図１６Ｂ】本発明の実施形態による、レーザーのモード・エネルギー分布の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図７Ａに示す縦軸及び横軸を参照するように特に断りのない限り、これらの図面は現寸に比例していない。
【００２６】
詳細な説明
ここでは、レーザー共振器を、高コヒーレンス半導体光源の例に関して説明する。実施形態は、高Ｑ値機能分離ハイブリッド・レーザーに関して説明する。以下の説明では、説明目的で、本発明の完全な理解をもたらすために多数の特定の細部を記載する。しかし、本発明の実施形態を、これら特定の細部なしに実施することができることは明らかである。他の例では、本発明の実施形態の態様を不必要に不明確にすること、曖昧にすること、あるいは隠蔽することを避けるために、周知の構造及び装置は余すところなく詳細には説明しない。
【００２７】
概説
レーザー共振器は、当該共振器の光ゲインに関連する光を増幅する活性物質、及びこの活性物質に近接して配置された受動物質を含む。この共振器は１つ以上の光学モードで振動し、これらの光学モードの各々が、特定の空間エネルギー分布及び共振周波数に対応する。受動物質の特性に基づいて、光学モードの少なくとも１つに対応する特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが活性物質から離れて分布する。受動物質は、低損失物質、及びこの低損失物質と活性物質との間に配置された緩衝物質を含むことができ、低損失物質は、活性物質から離れて分布する大部分の光エネルギーを蓄積し、緩衝物質は、低損失物質に蓄積される光エネルギーの、活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を制御する。
【００２８】
光位相／直交振幅変調
本発明の実施形態は、光位相変調及び／または光直交振幅変調を用いて情報を複素２Ｄ位相平面上で符号化して実現される。光位相／直交振幅変調（ＰＱＡＭ）は、従来のＤＷＤＭ法を不要にする（あるいはそれと組み合わせる）ことができ、実施形態をコヒーレント通信及び他の用途に用いることを可能にする。図１に、種々のスペクトル効率の変調方式を表すコンスタレーション（星座）図を示す。
【００２９】
光キャリア（搬送波）の位相における符号化情報は、光キャリアの振幅のみの場合とは対照的に、スペクトル効率（ビット/Hz）の増加を可能にし、従って利用可能なスペクトルのより効率的な利用を可能にする。例えば、光信号をその強度により変調することは、各振幅値、例えば「オン」または「オフ」がそれぞれ単一のデータビット「０」または「１」を表すことを可能にする。
【００３０】
幾分高いスペクトル効率は、ＱＰＳＫ（quadrature phase shift keying：四位相偏移変調）及び８−ＰＳＫ（八位相偏移変調）変調方式は、複素平面上に配置された各シンボルが、それぞれ２シンボル（例えば００、０１、１０、１１）及び３シンボル（例えば０００、００１、０１０、０００、等）を表すことを可能にする。１６−ＱＡＭ（直交振幅変調）方式では、パルス当たり４ビットを伝送することができ、このことは、所定の変調速度（ボーレート）において従来の強度変調に対して４倍の帯域幅を表す。
【００３１】
今日の商用通信リンクは、二偏波四位相偏移変調（ＤＰ−ＱＰＳＫ：dual polarization-QPSK）に基づくチャネル当たり１００Gb/sのデータレートで動作することができ、４００Gb/sのレートを有する「次世代」ラインは目下開発中である。本発明の実施形態は、高レベルの変調フォーマット（例えば１６、６４、２５６−ＱＡＭ）を用いて実現することができる。ＤＷＤＭ技術の利用と共に、実施形態を用いてTb/s（テラバイト／秒）規模のネットワーク帯域幅を提供することができる。
【００３２】
レーザー源のスペクトル純度を上昇させることによって、レーザー源が、より高い複雑度のより効率的な位相コンスタレーションを用いて情報を伝送することができる。しかし、自然放出及び他のこうした量子ノイズ効果は、位相に基づく信号情報を散乱、拡散、あるいは不鮮明化し得る。こうした特有の位相ノイズ特性は、位相で伝送されるシンボルの位相の拡散を生じさせる。図２に、位相変調におけるノイズ効果の例を示す。図２に見られるように、位相ノイズは、受信機においてキャリアの位相を復元することができる確実性を劣化させる。従って、より広い位相ノイズ拡散がより高い曖昧さの検出を生じさせ、曖昧さはビットエラーレート（ＢＥＲ：bit error rate：ビット誤り率）として定量化することができる。
【００３３】
本発明の実施形態は、２０kHz未満及び５kHz未満の従来型ＤＦＢ ＬＤに対して極めて狭い量子線幅を有するハイブリッドSi/III-V族プラットフォーム上で実現される半導体レーザーに関するものであり、従って、超高速光通信ネットワーク、及び長距離にわたる干渉計センシング及びレーザー測距（ＬＩＤＡＲ：laser imaging direction and ranging：レーザー画像検出と測距）のような高度なコヒーレンスを必要とする他の用途に用いることができる。
【００３４】
さらに、このように実現されるハイブリッド・プラットフォームは、Si系のＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor：相補型金属酸化物半導体）プロセスに適合し、このことは電子部品及び他の受動光学部品とのオンチップ集積を可能にし、従って、多数の電気通信用途に用いられるＳＦＰｘ（small factor pluggable：小型プラグ着脱可能）モジュールのような完結した小型デバイスの製造を可能にする。本発明の実施形態によって実現されるレーザーの小型で比較的単純な構造は、外部キャビティ・レーザー及びファイバー・レーザーが達成することができない高いスケーラビリティを提供し、非常に多数の半導体チップ上への展開を可能にする。
【００３５】
コヒーレンス改善の例
上記ハイブリッド・プラットフォームは、共振器のＱ値に基づく閾値に非常に近い狭い線幅を発生することも可能にし、従って、一般にポンプ電流を増加させることによって狭い線幅が得られる従来型ＤＦＢ ＬＤに対して非常に電力消費が小さい。しかし、高いポンプ電流にもかかわらず、従来型（例えば市販の）ＤＦＢレーザーで達成可能なコヒーレンスレベルは、一般に１００kHzを超える線幅(Δν)STに限られる。こうした従来型ＤＦＢ ＬＤの限界は、高いキャビティ損失及び自然放出に起因するものと思われ、これらがコヒーレンスを劣化させる基本的メカニズムであり得る。
【００３６】
本発明の実施形態は高Ｑ値機能分離ハイブリッド・レーザーに関するものであり、これは超低損失の共振器、自然放出の抑止、及び集積技術で実現され、従来の方法に対してコヒーレンス（例えば線幅）を１桁以上改善し、従って、Tb/sのデータレートでのコヒーレント通信、先進のセンシング・ネットワーク、及び他の有用な用途における使用を可能にする。
【００３７】
周波数ノイズは、レーザーの位相ノイズφn(t)の時間微分である。半導体レーザーは、２つの成分を有する周波数ノイズ・スペクトルによって特徴付けられ、一方の成分は低い方の周波数成分に関係し、他方の成分は高い方の周波数成分に関係する。
【００３８】
例えば約１MHz未満（＜〜１MHz）の低い周波数オフセットでは、周波数ノイズが１／ｆ型のスペクトルを有する。こうした１／ｆ系のノイズは、未だ十分に説明されていない大きな技術上のノイズ源を含む。こうした技術上のノイズ成分の低周波数の性質により、レーザーの発振周波数に比較的低速のジッターが出現する。
【００３９】
より高い周波数オフセット（例えば＞１MHz）では、以下に説明するように、周波数ノイズが量子起源のホワイトノイズ（白色雑音）によって特徴付けられる。この量子ホワイトノイズ・スペクトルは、ローレンツ場の線形に直接変換される。
【００４０】
コヒーレント通信及びコヒーレント・センシング、ＬＩＤＡＲ及び関連用途は、一般に短時間スケール（＜１μs）にわたる測定を用いる。光速通信ネットワークにおけるシンボルの持続時間は〜１nsである。センシング及びＬＩＤＡＲ用途、等における干渉計測の遅延及び測定時間は＜１μsである。従って、これらの測定は主に半導体レーザーの周波数ノイズの（高周波数の）ホワイトノイズ・スペクトルによって影響される。
【００４１】
さらに、低周波１／ｆノイズは、フィードバック・ループを用いて外部的に補償することができる。例えば、安定キャビティへのパウンド−ドレバー−ホール（Pound-Drever-Hall）ロック、あるいは光位相ロック・ループを用いたコヒーレンス・クローニングを、こうした低周波ノイズに対する外部補償に用いることができる。本発明の実施形態は、量子ホワイトノイズ・スペクトル、及びそれに関連するローレンツ線幅に応えることに関するものであり、これらはより根本的で重大な問題を含む。
【００４２】
半導体レーザーにおける位相ノイズの根本的な発生源は、元来量子力学的なものである。位相ノイズは、レーザーの活性領域内で自然放出される光子から生じる。すべての自然発生事象により、ランダム位相の光子がレーザー場に加わる。多数の自然放出事象の影響下で、レーザーの複素場に位相平面内のランダムウォーク（例えば位相拡散）が生じる。図３に、本発明の実施形態による、自然放出事象の例の位相ベクトル表現を示す。
【００４３】
半導体レーザーについては、測定期間τにわたって蓄積する位相偏差は、次式１により最も基本的に表現することができる。
【数１】
2016526799.tif 000003
式１では、Ｒspは、レージング（レーザー発振）モードに至る自然放出率を表し、Ｎthは閾値におけるキャリア密度を表し、
2016526799.tif 000004
は同じモードにおけるコヒーレント光子の平均個数を表し、αは振幅−位相結合係数（「ヘンリー係数」としても知られている）を表す。この種の量子位相ノイズに関連する周波数ノイズは、均一な、あるいは白色のスペクトル分布を有する。こうしたホワイトノイズ・スペクトルはローレンツ場線形を生じさせ、次式２で示すシャロー−タウンズ（Schawlow-Towns）スペクトル線幅を有する。
【数２】
2016526799.tif 000005
【００４４】
図３に示す位相ベクトル図は、レーザーの複素電界に対する１回の自然放出事象の効果を表す。図３に示す「ドット」のコンスタレーションは、多数回の独立した自然放出事象から生じた、複素平面内の場のランダムウォークを追跡した例である。
【００４５】
本発明の実施形態は、従来型ＤＦＢ ＬＤに対して大幅に線幅を低減した半導体レーザーに関するものである。レーザーは、ハイブリッドSi/III-V族集積、高Ｑ値レーザー・キャビティ設計、自然放出制御、及びハイブリッドSi/III-V族プラットフォームにおける効率的な熱管理を用いて実現される。
【００４６】
これらのハイブリッド高Ｑ値レーザーを、自然放出に対する制御及び効果的な熱管理により実現するために、本発明の実施形態は次のことに関係する：
(1) 半導体レーザーの周波数ノイズ・スペクトルを正確に測定するためのロバスト（頑健）な測定技術、及び、
(2) 高コヒーレンス特性を有する高Ｑ値機能分離Si/III-V族レーザー。
従って、半導体レーザーの原型は、改善された線幅、少なくとも１００μWの出力パワー、及び少なくとも４０dBのサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ：side mode suppression ratio）を伴って実現される。
【００４７】
さらに、例えば＜５kHzまでのさらなる線幅低減、並びにウェハーレベルのスケーリングを可能にすることができる製造プロセスが、こうして実現される。ハイブリッド、Si/III-V族レーザーを製造するための無関係な遺産的プロセスでなくても（例えば、２インチのウェハー全体まで）スケーラブルにすることができ、改善されたプロセスの費用効果性、及び処理能力を、これに関連して提供することができる。本発明の実施形態は、自然放出制御及び熱管理を用いて、本明細書に記載するように、スケーラブルな高歩留まりの製造プロセス及びロバストな測定技術を進展させる。
【００４８】
ハイブリッド・シリコン/III-V族集積
III-V族半導体とシリコンとの不均一集積は、発光及び他の能動的機能のシリコン・プラットフォーム上への組み込みを可能にする。しかし、遺産的な集積技術とは対照的に、本発明の実施形態は、吸光度の高い定型のIII-V族物質の一部分を（例えばウェハー・ボンディングを用いて）Siに置き換え、このことは非常に低損失な光プラットフォームを実現する。従来のレーザー・ダイオードに用いられる定型のIII-V族半導体は、上述したように用いられ特許請求の範囲に記載する特有のSiより約３桁も吸光度が高い。III-V族半導体のより高い吸光度は、主にコンタクト及びクラッド領域内の強度なドーピングに起因する。
【００４９】
図４に、本発明の実施形態によるハイブリッドSi/III-V族レーザーの第１例の概略断面図を示す。こうして実現されたハイブリッドSi/III-V族プラットフォームでは、レージング・モードは、大部分が低吸光度のSi領域内に存在するように設定されている。従って、ハイブリッドSi/III-V族プラットフォームは、レーザー動作の２つの重要な機能、即ち(1)光子発生と(2)光子蓄積との分離及び独立した最適化を可能にする。実施形態では、効率的なキャリア注入及び光子発生は、上記ハイブリッドのIII-V族半導体部分によって行われるのに対し、コヒーレント光子の大部分は、上記ハイブリッドの低損失なシリコン部分に蓄積される。
【００５０】
光子蓄積は、光子キャビティ寿命τpk、あるいは等価的にキャビティＱ値Ｑ＝ω0τpkによって定量化することができる。レーザー・キャビティ内の損失を低減することは、レーザーの量子ノイズ線幅に対する二重の効果を有する。第１に、キャビティ損失の低減は、所定の注入レベルでキャビティ内に蓄積されるコヒーレント光子の平均個数
2016526799.tif 000006
を増加させる。第２に、キャビティ損失は閾値におけるキャリア密度Ｎthを低減し、このことは自然放出に寄与するキャリアの濃度を低減する。
2016526799.tif 000007
及びＮthとキャビティ損失との関係が与えられると、あるいは等価的に上記キャビティＱ値に対して、レーザー線幅は次式３によりスケーリングすることができる。
【数３】
2016526799.tif 000008
実施形態は、キャビティＱ値を最大にすることによって線幅を低減するように動作する。
ハイブリッドSi/III-V族レーザーの全キャビティＱ値は、次式(4)により表すことができる。
【数４】
2016526799.tif 000009
【００５１】
式４では、ＱIII-V、ＱSiは、ハイブリッド・キャビティのそれぞれIII-V族領域及びSi領域内の光損失に関連するＱ値を表す。さらに、ΓはIII-V族領域内のモード係数を表す。III-V族領域内の損失は高く、光吸収によって支配される。本発明の実施形態は、上記モードの非常に小さい割合しか有損失のIII-V族領域内に存在しないデバイス構造を実現することによって、全キャビティＱ値Ｑを増加させる。
【００５２】
高Ｑ値設計の例
こうして実現されるハイブリッド設計はキャビティＱ値を大幅に改善し、線幅を大幅に低減し、これによりコヒーレンスを改善する。式４を参照すればわかるように、より大量の光がハイブリッド構造のSi部分に閉じ込められるので、Si内の損失がますます大きくなる。Γ<<１なる値については、最大限達成可能な全Ｑ値に関してＱSiの値の重要性が増加する。ハイブリッド共振器のシリコン部分では、損失の主な発生源は、散乱、放射、及び吸収を含む。従って、ＱSiは次式５により表すことができる。
【数５】
2016526799.tif 000010
Siのみの共振器について、１．５５μm付近の通信波長帯域における吸収により制限されたＱ値は、一般にＱabs＞１０7である。
【００５３】
フォトニック共振器の例
実施形態は、１Ｄ（一次元）フォトニック水晶共振器に関するものであり、放射漏洩を最小にし、レージング周波数を設定し、そして単一モードの出力発生を保証するように動作する。図５に、本発明の実施形態による高Ｑ値フォトニック共振器の例の上面図（現寸に比例していない）を示す。
【００５４】
この例の共振器は、長さＬmの２つの均一なミラー部、及び長さＬdを有するバンドギャップ変調された中間部を具えるように実現することができ、高Ｑ値の欠陥共振を局限するように動作可能である。挿入図は、単位セルの構造特性及び共振器の３Ｄ（三次元）透視図を示す。
【００５５】
こうして実現されるフォトニック共振器の例は、Ｑrad>１０8を達成することができ、従って、重大または大幅な損失に寄与するメカニズムとしての放射漏洩を解消する。さらに、実施形態によりSiプロセスを最適化することは、表面粗さに起因する散乱をＱ＞１０6まで低減する。ＱSi＝１０6なる値はSi共振器に関して重要であり得るので、実施形態は、ＱIII-V〜１０4なる代表的な全III-V族のInP系半導体レーザーに関して、線幅を（Γ→０なる極限において）１００〜１０００分の１に低減することができる。しかし、Γ→０になるに連れて、結果的なモードゲインの低減が閾値キャリア密度の大幅な増加を生じさせることがあり、このことは、高コヒーレンス向けのΓの最適値が存在し得ることを暗に意味する。ハイブリッド・レーザーは、最適な狭い線幅を決定するための可変のΓでも実現される。
【００５６】
自然放出に対するＩＣベースの制御
実施形態では、低屈折率のスペーサ層の組み込みによりモード係数Γを調整する。図６Ａに、本発明の実施形態によるハイブリッドSi/III-V族レーザーの第２例の概略断面図を示す。実施形態は、低屈折率スペーサが二酸化シリコン（SiO2）の層を具え、この層がハイブリッドのSi部分とハイブリッドのIII-V族部分との間に配置されるように実現することができる。このスペーサの厚さを変化させることは、上記モードのエバネセント・テールのハイブリッドのIII-V族部分内への侵入を変化させ、このことがΓの値を制御し、従って、キャビティのＱ値を上記の式４を参照して示すように制御する。さらに、この調整は線幅にも影響を与える。
【００５７】
ハイブリッドのIII-V族部分内へのエバネセント・テールの侵入を操作することは、活性の多重量子井戸（ＭＱＷ：multiple quantum well）内の電界の強度を変化させ、このことは、フェルミの黄金律により自然放出がレージング・モードに至る割合に影響を与える。自然放出率Ｒspをその構成パラメータに分解するに際し、量子ノイズ線幅は次式６により表すことができる。
【数６】
2016526799.tif 000011
比例式６では、ΓMQWはＭＱＷ領域内のモード係数を表す。比例式６中のΓMQWの存在が、ＭＱＷ領域内のレージング・モードの強度の変化に起因する、自然放出率のレージング・モードへの変化を説明する。Ｎthで表される閾値キャリア密度は、ΓMQW及びＱとは逆向きに増減する。ΓMQWの最適値が(Δν)STを最小にする。
【００５８】
比例式６に基づき、InP系のレーザー・ダイオードの代表的なパラメータについては、線幅の低減（または拡大）率は、スペーサの厚さの関数として計算することができる。図７Ａ及び図７Ｂに、線幅に対する量子ノイズ効果を、ＱSiの２つの異なる値について示す。
【００５９】
図７Ａでは、量子ノイズ線幅の低減（または拡大）率を、低屈折率SiO2スペーサの厚さの関数としてプロットしている。線幅低減率は、所定のスペーサの厚さにおける線幅の、公称の最小厚さ５０nmに対する比率から成る。領域７１及び７９は、それぞれ線幅の低減及び拡大に相当する。実線及び破線は、それぞれＱSi＝１０6及びＱSi＝１０5なるハイブリッド・キャビティに対応する。図７Ｂに、自然放出率のプロットを、ＱSiの２つの値１０5及び１０6について、SiO2スペーサの厚さの関数として示す。
【００６０】
厚い方のスペーサの厚さについての、ロールオフ及び結果的な線幅の再拡大は、極めて低いΓMQWの値におけるＭＱＷ領域からの不十分なゲインの結果としてのＮthの上昇に起因する。１００分の１のオーダーの線幅低減率は、ＱSi＝１０6の値について計算される。線幅低減の計算値はＱSi＝１０5については大幅に低下し、このことは高Ｑ値Si共振器の重要性を例示している。実施形態は、こうした線幅低減が、スペーサの厚さが例えば５０〜２００nmの間で変化する高Ｑ値ハイブリッドSi/III-V族レーザーの製造及び測定により達成されるように実現される。
【００６１】
ハイブリッドSi/III-V族レーザー・プラットフォームにおける熱放散の例
外部的な能動冷却を、レーザーの動作温度に対する精密な制御に用いて、その安定で狭い線幅の動作を可能にする。温度ゆらぎはレージング周波数のジッターを生じさせ、このジッターは低周波数オフセットにおける周波数ノイズに寄与する。周囲温度に加えて、直列抵抗に起因する内部加熱が接合温度の上昇に寄与する。効果的な熱放散なしでは、急峻な温度勾配がシンクと接合との間に生じて、能動冷却に悪影響し得る。上昇した接合温度はゲインを大幅に低減し、無放射キャリアの再結合及び電流漏洩を増大させ、これらは閾値電流密度を増加させ、スロープ効率及び／または出力光パワーを低減し得る。
【００６２】
レーザー・ダイオードの熱放散は、一般に、熱電的に制御される（例えばベルチェ）ヒートシンクにレーザーダイを接合することによって実現される。図８Ａ及び図８Ｂの各々に、レーザー・ダイオードについての代表的な熱放散構成を示す。図８Ａは熱放散構成の第１例であり、ここではレーザーが、「上向き」設定に構成されたそのエピタキシャル(epi)側でヒートシンクに接合されている。図８Ｂは熱放散構成の第１例であり、ここではレーザーを、（上向き設定とは逆の）「下向き」設定に構成されたそのepi側でヒートシンクに接合している。
【００６３】
Epi側上向きの方がより単純な構成であるが、epi側下向きに対して経路がより長く（〜１００μm）、それに伴い熱源からシンクまでの熱抵抗がより高くなる。しかし、epi側下向きは、epi側下向きに対して、より効率的な熱放散経路（〜２μm）を有するが、より複雑で精密なプロセスを有する。それにもかかわらず、epi側下向きのダイ接合の方が、高出力の量子カスケード・レーザー及び他の熱密度の高いレーザーにおいて加熱を管理するために、やや一般的である。
【００６４】
実施形態は、epi側下向きの熱管理をハイブリッドSi/III-V族プラットフォーム・レーザーに対して適用して実現される。一部の実現では同じく有用であるが、epi側上向き接合方式が、熱流を、そのＳＯＩ（silicon-on-insulator：シリコン・オン・インシュレータ：絶縁体上のシリコン）ウェハーのシリコンハンドルを通してシンクに向ける。熱流がシンクに向かう状況は、第１に、埋込み酸化物層（ＢＯＸ：buried oxide layer）の存在によって悪化し、埋込み酸化物層はシリコンの熱伝導率よりも１００分の１低い熱伝導率を有する。さらに、シンクに向かう熱流は、エッチングされたシリコン・リッジ（頂部）の導波構成要素のいずれかの側にある空気トレンチの存在によって促進することができる。ハイブリッドSi/III-V族レーザー・プラットフォームに特有のこうした熱流は、epi側上向きの接合方式の全熱抵抗を上昇させる。
【００６５】
本明細書に記載するハイブリッドSi/III-V族レーザーは、例えばハイブリッドSi/III-V族レーザーのＬ−Ｉ特性において観測される「早目の」熱ロールオフで見られるように、従来型III-V族ＬＤよりもジャンクション（接合）温度を大幅に高めることができる。線幅低減を促進するために、epi側下向きの接合技術を用いる実施形態を実現し、この技術は、比較的厚いスペーサの使用で生じ得るモードゲイン限界において特に重要である。例えば、実施形態は、ハイブリッドSi/III-V族レーザーを、フリップチップ実装のようなepi側下向き接合を用いて製造する。それにもかかわらず、本明細書に記載するハイブリッドSi/III-V族レーザーは、他のハイブリッド集積プロセスにも適合する。
【００６６】
プロセスフローの例
本発明の実施形態は、ハイブリッドSi/III-V族レーザーの製造に関するものである。図９に、本発明の実施形態による製造プロセスの例９０のフローチャートを示す。ステップ９１では、電子ビーム・リソグラフィーに続いてプラズマ・エッチングを行って、有効なレーザー特徴機能をＳＯＩウェハー上に規定する。ステップ９２では、レーザー特徴機能を規定したＳＯＩウェハーを、テンプレートIII-V族元素を含むゲイン（利得）媒質に接合（例えばウェハー接合）する。ステップ９３では、III-V族媒質をパターン化して電流経路を規定する。ステップ９４では、金属コンタクト（接点）を製造し、これによりレーザーデバイスがフリップチップ実装に適合する。
【００６７】
Si共振器の受動構成要素を電子ビーム・リソグラフィー（例えば、Vistec社のEBPG 5000+リソグラフィー、Zeon社のZEP 520Aナノ−フォトリソグラフィー・レジスト、等）でパターン化し、結果的なパターンを、疑似ボッシュ（Bosch）プロセス（例えばOxford 380）でシリコンに転写する。導波側壁を平滑化して、約１５nmの熱酸化物を成長させることによってＱscを改善する（ここでは、例えばMassoud系の酸化モデルを用いて酸化時間を計算する）。次に、この酸化物をHF（フッ化水素酸、例えばTransene社のBuffer HF改良型）で剥離して、約２０nmの乾燥酸化物を再成長させる。次に、アセトン及びイソプロパノール（ＩＰＡ：isopropanol）系の洗浄に続く、ナノストリップ（Nanostrip）（例えばCyantek社）等のような硫酸（H2SO4、HOSOOOHとも書く）と過酸化水素（H2O2、HOOHとも書く）の安定混合物中での、１分間位の継続時間の有機剥離を用いて、直接的なウェハー接合用のシリコンチップを用意する。
【００６８】
エピタキシャル（epi）構造を有するパターン化されていないIII-V族チップを、アセトン及びＩＰＡ洗浄剤、これに続く１０分間位の水酸化アンモニウム水溶液（NH4OH：H2O＝１：１５の溶液）により用意する。対向する各面上のチップ表面を、２００Wの酸素プラズマ（Suss社のNP12）中の５回位の処理で、接合用に活性化する。次に、これらのチップを直接接合する。例えば、これらのチップは、例えばこれらのチップをほぼ接触させる力で、そしてピンセットで軽い圧力を加えて、互いに圧着して一緒にすることができるが、正確な接合メカニズムは、自然発生的な接合及び圧力で誘発される接合のそれぞれについて不明なままである。次に、接合されたチップを１５０℃で１時間、これに続いて２８５℃で５時間アニール加熱する。接合及び／またはアニール加熱後に、InP（リン化インジウム）ハンドルを、例えばHCl：H2O＝１：３の濃度の塩酸水溶液中で除去する。
【００６９】
実施形態は、イオン注入（例えば、H+、１７０keV、５×１０-4cm-2）及びAZ5214Eマスクを用いて、シリコン導波路上に電流経路を規定して実現される。チタニウム、白金、及び金の層（Ti/Pt/Au、２０nm／５０nm／１５０nm）を堆積させ、像反転されたAZ5210レジストをリフトオフ（離脱）することによって、ｐ+-InGaAs（高ｐ型インジウムヒ化ガリウム）へのｐコンタクトが電流経路上に形成される。（例えば、ピラニア（Piranha）溶液H2SO4：H2O2：H2O＝１：１：１０を７秒間、及びHCl：H2O＝１：２を１７秒間、ピラニア溶液を４５秒間用いた）ｎコンタクト層に至るウェットエッチングによって、III-V族物質中にメサ構造が生成される。ｎ+InP（高ｎ型リン化インジウム）へのｎコンタクトは、ゲルマニウム／金／ニッケル／金（Ge/Au/Ni/Au、３０nm／５０nm／１２nm／２２５nm）を堆積させることによる。
【００７０】
ダイを１５０μmまで薄くして、バー（棒）状に分割する。個別のバーを３２５℃で３０秒間アニール加熱する。これらのバーの略平行に対向する各平面上に、２５０nmの酸化アルミニウム（Al2O3）反射防止コーティングを配置する。
【００７１】
マッハツェンダー干渉分光法（ＭＺＩ：Mach Zehnder interferometry）を周波数弁別に用いて周波数ノイズを測定する実施形態を実現することができる。差分遅延は、期待されるレーザー・コヒーレンス時間よりも短く保たれる。対応するＭＺＩ自由スペクトル範囲（ＦＳＲ：free spectral range）は８４７MHzを含む。ＭＺＩ干渉計は、直角位相においてバイアスをかけ、高速光検出器で測定する際に、レーザーの位相変動を輝度変動に変換し、そのスペクトルはＲＦスペクトル・アナライザ上に得られる。干渉計の遅延の選定は、周波数走査範囲と周波数ゲインとのトレードオフである。
【００７２】
干渉計が、周波数スペクトルの高分解能測定の継続時間中に直角位相に留まると、正確な結果を得ることができる。従って、検査中の（例えば、パッケージされていない）ハイブリッド・レーザーは、環境または周囲の温度変動に特に敏感であり、レーザーの中心周波数を直角位相から外れるようにドリフトさせる。従って、ＭＺＩは、レーザーのポンプ電流への電子的ネガティブ・フィードバック（負帰還）により直角位相にロックすることができる。このフィードバック・ループの帯域幅は１００Hz未満に保たれ、このことは、高周波数のノイズ・スペクトルは影響を受けないままにしつつ、温度により誘発される低周波数の変動を抑制するのに十分である。
【００７３】
高Ｑ値機能分離ハイブリッドSi/III-V族レーザーの例
図１０に、本発明の実施形態による高Ｑ値機能分離ハイブリッド・レーザー（ＳＦＬ）デバイス１０００の断面を示す。レーザー１０００は、図４または図６のいずれか、あるいは両方に示すハイブリッド・レーザーダイオードを表す。図１１Ａに、本発明の実施形態による高Ｑ値ＳＦＬレーザー１０００の例の透視図を示す。図１１Ａに、本発明の実施形態による高Ｑ値ＳＦＬデバイスの格子構成部品の例を示す。
【００７４】
本発明の実施形態は、主要機能のうち２つ、即ち光子の発生と光子の蓄積との空間分離を行う半導体レーザーの位相コヒーレンスを最大にする。従来の方法によりIII-V族物質の構成要素を用いて構成することができる既存のＤＦＢ ＬＳは、こうした機能間の妥協が不可避であり、そして大方は、従来型ＬＤの位相コヒーレンス性能を制約するか劣化させるものは、こうした妥協である。
【００７５】
本発明の実施形態は、２物質のハイブリッドSi/III-V族プラットフォームに関するものであり、このプラットフォームは、光子発生と光子蓄積との間で妥協することを回避するかなくし、位相コヒーレンスを従来型ＬＤに対して大幅に改善する。実施形態では、光子の大部分はIII-V族光学活性物質を含む構成要素中で発生し、光子は低光損失のSi構成要素中に蓄積される。従って、このIII-V族物質は、最も効率的かつ適切な用途、即ち光子発生に充てられ、導波及び光子蓄積機能を提供するという従来の制約がない。上記蓄積及び導波は、低損失のSi材料の構成要素において、より効率的である。
【００７６】
図１０に示すように、光子蓄積は低損失のシリコン構成要素中、及びレーザー・キャビティの一部としての高Ｑ値ハイブリッドSi/III-V族共振器中に生じる。高Ｑ値共振器は、所定出力用の大量の光エネルギーを蓄積し、従って光フライホイールとして機能して、III-V族物質中に発生する量子により強制される自然放出光子によって生じる位相摂動の効果を低減する。
【００７７】
さらに、キャビティのＱ値を増加させることによって、振動閾値に達するのに必要な励起電子及びホールの総数が低減され、このことは、損失を生じさせる自然放出事象の比率の低減に、直接かつ比例的に移行する。実施形態は、光電子回路、デバイス、及びパッケージの製造に利用可能なウェハー規模の処理技術に適合するSi基板を用いて実現することができる。
【００７８】
レーザー・コヒーレンスを制限する要因の効果は、次式７による位相偏差についての表現において明らかである。
【数７】
2016526799.tif 000012
式７では、Ｒはレージング・モードに至る自然放出率（s-1）を表し、
2016526799.tif 000013
は、光共振器中のコヒーレント光子の平均数を表し、αは、振幅変動と位相変動の結合に起因する線幅増大係数を表し、τはシンボル持続時間を表す。
【００７９】
レーザー共振器における全光損失を低減することは、Ｒの値をより小さくするが、所定のパワー放出については
2016526799.tif 000014
の値を増加させる。こうした損失を低下させる二重の恩恵は、式７を次式８による形式に書き変えることによって強調される。
【数８】
2016526799.tif 000015
式８では、ν0はレージングの中心周波数を表し、ηは反転分布係数を表し、部分的反転に起因する自然放出率の増加を特徴付け、Ｐは、放出されてレージング・モードに至る全光パワーを表し、Ｑはレーザー共振器の冷温キャビティの有負荷状態のＱ値を表す。
【００８０】
共振器のＱ値Ｑを高めることは、大幅な（例えば、Ｑ2に比例した）線幅低減をもたらす。Ｑを最大にするためには、次式９により、Ｑを概念的に、Ｑを構成する異なる光損失メカニズムに分割することが有用である（参考文献１８）。
【数９】
2016526799.tif 000016
式９では、損失成分の添え字は、それぞれ放射、バルク吸収、散乱、及びキャビティのミラーによる外部的損失を示す。損失係数Ｑrad、Ｑba、及びＱscは、共振器に特有の損失Ｑiの発生源を表し、Ｑiは共振器の最大可能なＱ値に上限を設定する。共振器負荷Ｑeは、蓄積エネルギーのうちレーザーミラーを通る有効な出力として取り出される比率を決める。レーザー設計では、蓄積エネルギーと有効出力との間にトレードオフが存在する。
【００８１】
上記高Ｑ値ハイブリッド共振器はシリコン導波路を具え、この導波路は、図１１Ｂ及び／または図１２に示すように１Ｄ（一次元）光子でパターン化されている。このSi導波路が振動周波数を決定し、レーザーの縦モード・プロファイルを調整する。放射モードへの結合
2016526799.tif 000017
は、図１２Ａに示すように他の均一な光子の中央（またはほぼ中央）に配置された、バンドギャップ変調された「欠陥」（例えば不均一）部分によって最小にされる。
【００８２】
この欠陥は、例えば、図１２Ｂに示すように、上記格子の低い方の周波数帯域エッジを、共振器に沿った位置の関数として放物線状に変調することによって、周波数領域内で直接設計される。こうした直交変調は、量子井戸として機能して、ガウス状のプロファイルを実空間及び逆格子空間（それぞれ図１２Ｄ、１２Ｅ）に共に有する共振モードを局在化させ、量子調和振動子における基底状態の電子波動関数と幾分似ている。井戸の深さＶを選択することは、上記均一な格子の帯域エッジからの周波数オフセット、及びその空間幅Ｌdから成り、実施形態は、モードをｋ−空間内で密に局在化させ、このことは放射モードの連続体への結合を大幅に低減する。
【００８３】
実施形態は、図１２Ａに示すように、エッチング孔の横径Ｗyを変化させることによって周波数帯域のエッジ・プロファイルを格子構造に移行するデバイスを製造することに関するものである。散乱損失Ｑsc-1を最小にするために、図１０に示すように、導波路を浅いリブ形状に製造してモードをSiスラブ（平板）内に「埋め込み」、これにより、モードをエッチングした側壁の粗さから隔離する。強度にドーピングされたIII-V族物質における自由キャリア吸収に主に起因するバルク吸収Ｑba-1は、このIII-V族物質内に蓄積される光エネルギーの割合を最小にする横モード・プロファイルによって低減される。例えば、５００nmのSiデバイス層の選定により、モード・エネルギーの７５%は低吸収のSi構成要素に閉じ込められて、有損失のIII-V族構成要素から離れる。
【００８４】
上記欠陥のいずれかの面上にある長さＬmの均一な格子反射器が、活性領域内に発生する全パワーのうち有効出力として結合される割合を決定し、従って、共振器の外部負荷（Ｑe）を決定する。全負荷のＱ値を最大にして位相ノイズを低減するので、高Ｑ値ハイブリッド共振器が、Ｑe＞Ｑiなる大幅な弱結合で実現される。こうした負荷形態を従来型ＤＦＢ ＬＤで用いると、空間的ホールバーニングに誘発される不安定性に対する感受性、及び従来型ＤＦＢ ＬＤの尖鋭なピークを有する空間的モード・プロファイルに起因する線幅の再拡大が生じる。他方では、実施形態では、こうした空間的ホールバーニングは、大幅に広いガウス縦モード・プロファイルによって軽減され、このことは大幅な弱結合、従ってキャビティ内に蓄積される大きなエネルギーを可能にする。
【００８５】
図１２Ａ及び１２Ｂに、本発明の実施形態による高Ｑ値ハイブリッド共振器の例の特徴を示す。図１２Ａは、Si中に配置された超低損失格子の幾何学的形状の概略上面図を示す。図１２Ｂは、高Ｑ値ハイブリッド共振器の例について空間的帯域構造を、設計パラメータ（Ｖ，Ｌd）＝（３００GHz，１００μm）について、シミュレーション計算した透過スペクトルに対してプロットして示し、ここにＶは低周波数ミラー帯域エッジに対するフォトニック井戸の深さを表し、Ｌdは格子欠陥部分の長さを表す。図１２Ｃは、局所単位セルの例の分散図を示す。固有周波数ｆv、ｆcは、それぞれ、共振器の空間的帯域構造の被変調周波数分布ｆv(ｘ)、ｆc(ｘ)に対応する。図１２Ｄに、高Ｑ値ハイブリッド共振器の縦場についてシミュレーション計算した強度プロファイルを示す。上方の（例えば、グレーの陰影を付けた）領域が欠陥を表す。図１２Ｅに、高Ｑ値ハイブリッド共振器の例の、縦場のフーリエ成分振幅分布を示す。グレーの陰影を付けた（例えば、中央の）領域が、放射モードの連続体を表す。図１２Ｆに、高Ｑ値ＳＦＬの例についてシミュレーション計算した放出スペクトルを示す。グレーの陰影を付けた領域（例えば、２つの比較的高いピークの間）が共振バンドギャップを表す。
【００８６】
本明細書で（例えば、図９を参照して）説明するように、実施形態は高Ｑ値ＳＦＬの製造を実現する。低光損失の格子を、電子ビーム・リソグラフィー及びプラズマ・エッチングを用いてSi構成要素上に配置することができ、これに続いてIII-V族物質構成要素へのダイ規模の直接的な接合を行うことができる。ハイブリッドSi/III-V族共振器は、フォトニック井戸に基づいて、（Ｖ，Ｌd）＝（１００GHz，２００μm）なる設計パラメータ集合の例で実現することができる。１０7のオーダーの、放射に限定されるＱ値は、選択したパラメータ集合についてのフーリエ分析に基づいて推定される。欠陥のいずれかの面上の分布型ブラッグ反射器の長さは、この反射器を大幅に弱結合するように設定し、Ｑeは、主にIII-V族吸収に限定されるこの共振器の例に固有のＱ値の仮定に基づいて５×１０6に近づくように計算される。反射器を含むキャビティ長の例は１mmの範囲内である。
【００８７】
本明細書で（例えば図９を参照して）説明するように、実施形態は高Ｑ値ＳＦＬの製造を実現する。低光損失格子を、電子ビーム・リソグラフィー及びプラズマ・エッチングを用いてSi構成要素上に配置することができ、これに続いてIII-V族物質構成要素へのダイ規模の直接的な接合を行うことができる。ハイブリッドSi/III-V族共振器は、フォトニック井戸に基づいて、（Ｖ，Ｌd）＝（１００GHz，２００μm）なる設計パラメータ集合の例で実現することができ、単一の局在化された欠陥モードを生成する。
【００８８】
１０7のオーダーの、放射に限定されるＱ値は、選択したパラメータ集合についてのフーリエ分析に基づいて推定される。欠陥のいずれかの面上の分布型ブラッグ反射器の長さは、この反射器を大幅に弱結合するように設定し、Ｑeは、主にIII-V族吸収に限定されるこの共振器の例に固有のＱ値の仮定に基づいて、５×１０6に近づくように計算される。反射器を含むキャビティ長の例は１mmの範囲内である。
【００８９】
図１３Ａに、本発明の実施形態による光パワーを、種々の動作温度にわたって、ポンプ電流に対してプロットして示す。図１３Ｂに、本発明の実施形態による光（光パワー出力）を、種々の動作温度にわたって、ポンプ電流に対してプロットして示す。図１３Ｃに、本発明の実施形態による、特定温度かつ所定ポンプ電流における高Ｑ値ＳＦＬの例の光スペクトルを示す。図１３Ｄに、本発明の実施形態による、特定温度かつ所定駆動電流における種々の格子周期の高Ｑ値ＳＦＬの例の光スペクトルを示す。
【００９０】
パッケージされていない、及び／または温度制御される段階の、高Ｑ値ＳＦＬの例を検査するに当たり、図１３Ｂに示すように、単一モード、連続波（ＣＷ：continuous-wave）レーザー動作を、３０mAまで低い閾値電流及び９mWもの高い片面出力パワーで、室温（２０℃）で達成する実施形態を実現した。図１３Ａに示すように、レージングは、１０°から７５℃までの範囲に及ぶ温度にわたって発生することができる。適切に変化するか異なる格子周期を有するレーザーにおいて、単一モード発振が、約１５３０nm〜１５７５nmの４５nmの範囲の及ぶ波長にわたって実現されることが観測される。
【００９１】
図１３Ｃに、高Ｑ値ＳＦＬの例の代表的な光スペクトルを示す。図１３Ｄに示すように、動作波長の各々において、５０デシベル(dB)を超えるサイドモード抑圧比が得られる。それぞれ図１３Ｂ及び１３Ｆに示すように、受動共振器及び能動共振器の両者について、実験による光スペクトルはシミュレーションによるスペクトルと合っている。こうしたシミュレーションから予測されるように、レージング・モードは低周波数帯域エッジ（オフセット〜６０GHz）付近に出現し、最強のサイドモードは、この低周波数帯域エッジの少しだけ外側に出現する。
【００９２】
実施形態は、高Ｑ値ＳＦＬの時間コヒーレンスを、周波数変動のスペクトル密度の測定により特徴付け、このことは、スペクトル線幅に対する低周波数（例えば１／ｆ）ノイズの寄与分と高周波数ノイズの寄与分とを区別するに当たり、従来型の自己ヘテロダイン測定技術に特有の曖昧さを回避する。ノイズを周波数の関数として表示することは、個別のノイズ・メカニズムの分解または分離を可能にする。ノイズ・スペクトルの高周波数成分は低周波数ノイズ成分よりも影響大であり得る、というのは、ノイズ・スペクトルの高周波数部分は、高いデータレートの光通信により重大な影響を与えるからである。
【００９３】
図１４に、本発明の実施形態による高Ｑ値ＳＦＬの例の周波数ノイズ・スペクトルを示す。プロット中に２つの明確に区別される領域を識別することができる。第１領域は、約１００kHzまでに達し、１／ｆ型の依存性を表すのに対し、第２部分は１００MHzまでに及ぶより緩やかな傾斜を有する。実施形態の高Ｑ値ＳＦＬレーザー・ダイオードは、図１４に示す傾きによって特徴付けられる。観測される周波数ノイズ・スペクトルは、技術的原因を有するノイズ（例えば、レーザー駆動電子回路によって生じるノイズ）によって大きく支配される。あるレベルのホワイトノイズ・フロアは、これらのデータに明確に表されていない。従って、自然放出に誘発される位相ノイズの上限は、本発明により実現される実施形態に関しては、実験で測定した両側スペクトルについて、高周波数端におけるスペクトル密度の値を用い、これに２πを乗じることによってシャーロウ−タウンズ線幅で表すことができる。こうして達成される最も狭い線幅は、４．５×Ｉthのポンプ電流（例えば１６０mA）で測定すれば、１８kHzの値を有する。
【００９４】
図１４では、周波数ノイズを、パワースペクトル密度（ＰＳＤ：power spectral density）に関してHz2/Hz単位で、１６０mA（４．５×Ｉth）のポンプ電流において２０℃で取得したキャリア（搬送波）からのオフセット周波数の関数として表す。１００kHz及び１００MHzの周波数付近に示されるスパイクは、それぞれ電流源の電子ノイズ及びＦＭラジオのノイズである。１００MHz付近のＰＳＤ値に２πを乗じると、１８kHzのシャーロウ−タウンズ線幅が得られる。図４の挿入図部分は、例えばＲＦスペクトル分析を用いて得られた全周波数スペクトルを含み、フィードバック抑制によるスペクトルの低周波数端、並びに２００MHzにおけるマッハツェンダー干渉分光法（ＭＺＩ）ロールオフの始点を、８４７MHzの自由スペクトル範囲（ＦＳＲ：free spectral range）について示す。
【００９５】
図１５Ａに、本発明の実施形態による、高Ｑ値ＳＦＬの例のシャーロウ−タウンズ線幅を、閾値からのオフセットポンプ電流の関数として示す。図１５Ｂに、本発明の実施形態による、シャーロウ−タウンズ線幅を、例えばいくつかの別個の半導体チップ上に製造した多数のレーザー・バーにわたって実装した高Ｑ値ＳＦＬデバイスのそれぞれの放射波長の関数として示す。
【００９６】
期待される線幅のポンプ電流に対する依存性からの偏差が、線幅フロアの形態で観測される。この偏差は、少なくとも部分的に、レーザーの光スペクトル中に観測されるサイドモード競合の増加に起因し、空間ホールバーニングによって生じやすいことがある。図１５Ｂに示すように、格子周期を変化させたレーザーから得られたＣ帯域全体にわたって狭い線幅の性能が実証され、このことは、異なるチップ及びレーザー・バーに及ぶ。
【００９７】
図１６Ａに、従来型レーザーの代表的なモード・エネルギー分布を示す。エネルギーの大部分は、従来型半導体レーザーの活性領域内に分布する。これとは対照的に、本発明の実施形態は、大部分のエネルギーを活性領域から離れて分布させる。
【００９８】
例えば、実施形態によるレーザー共振器は、共振器の光ゲインに関連する光を増幅する活性物質、及びこの活性物質に近接して配置された受動物質を含む。この共振器は１つ以上の光学モードで振動し、各光学モードは特定の空間エネルギー分布及び共振周波数に対応する。
【００９９】
図１６Ｂに、本発明の実施形態による、レーザーのモード・エネルギー分布の例を示す。受動物質の特性に基づいて、光学モードのうち少なくとも１つに対応する特定の空間エネルギー分布について、大部分の光エネルギーは活性物質（例えばIII-V族物質）から離れて分布する。
【０１００】
受動物質は、活性物質から離れて分布する大部分の光エネルギーを蓄積する低損失物質（例えば、Si）、及びこの低損失（Si）物質と活性（III-V族）物質との間に配置された緩衝物質（例えば、SiO2）を含むことができ、この緩衝物質は、低損失物質に蓄積される光エネルギーの、活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を制御する。
【０１０１】
従って、本発明の実施形態は、レーザーの比較的重要な機能のうち２つ、即ち：発光効率の高いIII-V族物質の構成要素における光発生と、低光損失のSi構成要素における光蓄積との意図的な空間分離に基づく、新型の高コヒーレンス半導体レーザーに関するものである。これらの機能が一緒になって、レーザー・コヒーレンスが実質的に決まる。改善されたコヒーレンスは、本明細書に記載するレーザー共振器の例のＱ値の大幅な増加に主に起因し、１８kHzまで狭いレーザー線幅を示す。
【０１０２】
これらの実施形態の性能を技術的に特徴付ければ、このように可能にされた程度の位相コヒーレンスを有するレーザーは、１６ＱＡＭ（quadrature amplitude modulation：直交振幅変調）コヒーレント通信方式、ＬＩＤＡＲ、及び他の高性能の応用を、従来型ＤＦＢ ＬＤを特徴付ける電力の必要量に対する大幅な節減で、容易に可能にする。さらに、本明細書に記載するように実現されるレーザーは、光学機能及び電子機能のオンチップ集積にも適している。
【０１０３】
本発明の実施形態は、レーザーデバイス用の共振器に関して、このように説明される。このレーザー共振器は、当該共振器の光ゲインに関連する光を増幅するための少なくとも１つの活性物質を有する。このレーザー共振器は、この少なくとも１つの活性物質に近接して配置された１つ以上の受動物質も有し、この共振器は１つ以上の光学モードで振動し、これら１つ以上の光学モードの各々が、特定の空間エネルギー分布及び共振周波数に対応し、上記１つ以上の受動物質の特性に基づいて、上記１つ以上の光学モードのうち少なくとも１つに対応する特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが活性物質から離れて分布する。
【０１０４】
上記１つ以上の受動物質は、活性物質から離れて分布する大部分の光エネルギーを蓄積するための低損失物質を含むことができる。上記１つ以上の受動物質は、この低損失物質と上記少なくとも１つの活性物質との間に配置された緩衝物質も含むことができ、この緩衝物質は、低損失物質内に蓄積される光エネルギーの、活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を制御する。この緩衝物質は、屈折率の低い二酸化シリコンのような物質を含むことができる。活性物質はIII-V族物質を含むことができ、低損失物質はシリコンを含むことができる。上記受動物質は層の形に配置することができ、これらの層の少なくとも１つは、活性物質を有する層と接合（例えばウェハー接合）される。
【０１０５】
上記低損失の受動物質は、孔のパターンを有するように構成することができる。構成される孔のパターンによって、共振器の振動周波数、出力率、及び出力モード・プロファイルを定めることができ、そしてこの共振器からの自然放出を防止する。こうした孔のパターンは、直線状または略直線状のアスペクトのような一次元（１Ｄ）構成を有することができる。構成される孔のパターンは、略均一なサイズの孔の略均一なアレイ、及び孔の略均一なアレイ内（例えばアレイ全体、アレイの中心領域内またはほぼ中心領域内）に配置された（例えば、上記略均一なサイズに関連する）欠陥を含むことができる。
【０１０６】
本発明の実施形態は、こうした共振器を半導体ダイ上に配置したレーザーデバイスにも関するものである。このレーザーデバイスはヒートシンク構成要素を有することができ、このヒートシンク構成要素は、半導体ダイに取り付けられ、半導体ダイと共に上記活性物質内に発生する熱をレーザーデバイスの共振器から除去するように構成されている。このヒートシンクは、上記レーザー共振器の上記活性物質に対してエピタキシャル側を下にした構成（あるいは他の構成）で半導体ダイに取り付けることができる。このレーザーデバイスは検出器構成要素を有することもでき、この検出器構成要素は、半導体ダイに取り付けられ、半導体ダイと共にレーザー共振器の出力特性を測定するように構成されている。この出力特性は、共振器出力の周波数ノイズ関連成分を測定することに関するものとすることができ、この測定は、共振器出力の高周波数ノイズ・スペクトルを計算すること、及び共振器出力の低周波数の変動の測定を抑制することを含むことができる。
【０１０７】
本発明の実施形態はレージングの方法に関するものであり、この方法は、光共振器の少なくとも１つの活性物質における光ゲインに関連する光を増幅するステップと、この共振器内に空間エネルギーを分布させるステップとを含み、１つ以上の受動物質が上記少なくとも１つの活性物質に近接して配置され、この共振器は１つ以上の光学モードで振動し、これら１つ以上の光学モードの各々が、特定のエネルギー分布及び共振周波数に対応し、上記１つ以上の受動物質の特性に基づいて、上記１つ以上の光学モードのうち少なくとも１つに対応する特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが上記活性物質から離れて分布する。
【０１０８】
上記１つ以上の受動物質は、上記活性物質から離れて分布する大部分の光エネルギーを蓄積するための低損失物質、並びに緩衝物質を含むことができ、この緩衝物質は、上記低損失物質と上記少なくとも１つの活性物質との間に配置され、低損失物質内に蓄積される光エネルギーの、上記活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を効果的に制御する。実施形態は、こうしたレージング・プロセスを持続させるためのレーザー、例えばシステム、装置、製品、等、並びにこれらを製造する方法に関するものである。
【０１０９】
本明細書では、以下に挙げる参考文献を含めて、機能分離レーザーを記載する。このレーザーは、基板層、基板層に隣接した蓄積兼導波層、及び蓄積兼導波層に隣接した光子発生層を有する。蓄積兼導波層は、光子発生層に隣接した格子パターンを含む。
【０１１０】
本発明の実施形態は、レーザーデバイス用の共振器に関して上述したものである。このレーザー共振器は、当該共振器の光ゲインに関連する光を増幅するための少なくとも１つの活性物質を有する。このレーザー共振器は、この少なくとも１つの活性物質に近接して配置された１つ以上の受動物質も有し、この共振器は１つ以上の光学モードで振動し、これら１つ以上の光学モードの各々が、特定の空間エネルギー分布及び共振周波数に対応し、上記１つ以上の受動物質の特性に基づいて、上記１つ以上の光学モードのうち少なくとも１つに対応する特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが活性物質から離れて分布する。
【０１１１】
上記１つ以上の受動物質は、活性物質から離れて分布する大部分の光エネルギーを蓄積するための低損失物質を含むことができる。上記１つ以上の受動物質は、この低損失物質と上記少なくとも１つの活性物質との間に配置された緩衝物質も含むことができ、この緩衝物質は、低損失物質内に蓄積される光エネルギーの、活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を制御する。この緩衝物質は、屈折率の低い二酸化シリコンのような物質を含むことができる。活性物質はIII-V族物質を含むことができ、低損失物質はシリコンを含むことができる。上記受動物質は層の形に配置することができ、これらの層の少なくとも１つは、活性物質を有する層と接合（例えばウェハー接合）される。
【０１１２】
上記低損失の受動物質は、孔のパターンを有するように構成することができる。構成される孔のパターンによって、共振器の振動周波数、出力率、及び出力モード・プロファイルを定めることができ、そしてこの共振器からの自然放出を阻止する。こうした孔のパターンは、直線状または略直線状のアスペクトのような一次元（１Ｄ）構成を有することができる。構成される孔のパターンは、略均一なサイズの孔の略均一なアレイ、及び孔の略均一なアレイ内（例えばアレイ全体、アレイの中心領域内またはほぼ中心領域内）に配置された（例えば、上記略均一なサイズに関連する）欠陥を含むことができる。
【０１１３】
本発明の実施形態は、こうした共振器を半導体ダイ上に配置したレーザーデバイスにも関するものである。このレーザーデバイスはヒートシンク構成要素を有することができ、このヒートシンク構成要素は、半導体ダイに取り付けられ、半導体ダイと共に上記活性物質内に発生する熱をレーザーデバイスの共振器から除去するように構成されている。このヒートシンクは、上記レーザー共振器の上記活性物質に対してエピタキシャル側を下にした構成（あるいは他の構成）で半導体ダイに取り付けることができる。このレーザーデバイスは検出器構成要素を有することもでき、この検出器構成要素は、半導体ダイに取り付けられ、半導体ダイと共にレーザー共振器の出力特性を測定するように構成されている。この出力特性は、共振器出力の周波数ノイズ関連成分を測定することに関するものとすることができ、この測定は、共振器出力の高周波数ノイズ・スペクトルを計算すること、及び共振器出力の低周波数の変動の測定を抑制することを含むことができる。
【０１１４】
本発明の実施形態はレージングの方法に関するものであり、この方法は、光共振器の少なくとも１つの活性物質における光ゲインに関連する光を増幅するステップと、この共振器内に空間エネルギーを分布させるステップとを含み、１つ以上の受動物質が上記少なくとも１つの活性物質に近接して配置され、この共振器は１つ以上の光学モードで振動し、これら１つ以上の光学モードの各々が、特定のエネルギー分布及び共振周波数に対応し、上記１つ以上の受動物質の特性に基づいて、上記１つ以上の光学モードのうち少なくとも１つに対応する特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが上記活性物質から離れて分布する。
【０１１５】
上記１つ以上の受動物質は、上記活性物質から離れて分布する大部分の光エネルギーを蓄積するための低損失物質、並びに緩衝物質を含むことができ、この緩衝物質は、上記低損失物質と上記少なくとも１つの活性物質との間に配置され、低損失物質内に蓄積される光エネルギーの、上記活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を効果的に制御する。実施形態は、こうしたレージング・プロセスを持続させるためのレーザー、例えばシステム、装置、製品、等、並びにこれらを製造する方法に関するものである。
【０１１６】
このように説明したレーザー共振器は、この共振器の光ゲインに関連する光を増幅するための活性物質、及びこの活性物質に近接して配置された受動物質を含む。この共振器は１つ以上の光学モードで振動し、これらの光学モードの各々が、特定の空間エネルギー分布及び共振周波数に対応する。上記受動物質の特性に基づいて、上記光学モードのうち少なくとも１つに対応する特定の空間エネルギー分布において、大部分の光エネルギーが活性物質から離れて分布する。上記受動物質は、活性物質から離れて分布する大部分の光エネルギーを蓄積する低損失物質、及びこの低損失物質と活性物質との間に配置された緩衝物質を含むことができ、この緩衝物質は、低損失物質内に蓄積される光エネルギーの、活性物質内にある一部の光エネルギーに対する比率を制御する。
【０１１７】
各請求項またはいずれかの請求項に具体的に、あるいは本明細書において例として、明示的に記載する定義は、こうした請求項の特徴に関して含まれる用語については、こうした用語の意味を支配することを意図している。従って、ある請求項中に明示的に記載しない限定、要素、特性、特徴、または属性は、こうした請求項の範囲を多少なりとも限定すべきものではない。従って、本明細書及び図面は、限定的意味ではなく例示的意味に考えるべきものである。本発明の実施形態は、医療機器及び生理学的機器に能力を与え、これらと信号を交換することに関するものである。
【０１１８】
以上の明細書では、本発明の実施形態を、実現どうしの間で異なり得る多数の具体的細部を参照して説明してきた。従って、本明細書及び図面は、限定的意味ではなく例示的意味に考えるべきものである。本発明の唯一かつ排他的な指示、及び本願が本発明の範囲であるものと意図するものは、本願が、今後のあらゆる補正を含めて特許請求の範囲に具体的形式で公表する、各請求項の文言上の範囲及びそれと等価な範囲である。
【０１１９】
参考文献
[1] P.J. Winzer and R.J. Essiambre, “Advanced optical modulation formats”, Proc. IEEE, vol.94, pp.952-985, 2006年
[2] E. Ip, A. P. T. Lau, D. J. F. Barros, and J.M.Kahn, “Coherent detection in optical fiber systems”, Optics Express, vol.16, pp.753-791, 2008年
[3] J. Rahn, S. Kumar, M. Mitchell, H. Sun, K. T. Wu, G. Goldfarb, M. Kato, D. Krause, R. Nagarajan, F. Kish, and D. Welch, “Super-Channels: DWDM Transmission Beyond 100Gb/s”, IEEE Photonic Conference (IPC), pp.854-855, 2012年
[4] C. Spiegelberg, J. H. Geng, Y. D. Hu, Y. Kaneda, S. B. Jiang, and N. Peyghambarian, “Low-noise narrow-linewidth fiber laser at 1550nm (June 2003)”, Journal of Lightwave Technology, vol.22, pp.57-62, 2004年
[5] K. Numata, J. Camp, M. A. Krainak, and L. Stolpner, “Performance of planar-waveguide external cavity laser for precision measurements”, Optics Express, vol.18, pp.22781-22788, 2010年10月25日
[6] K. Kikuchi, “Origin of residual semiconductor laser linewidth in high-power limit”, Electronics Len., vol.24, pp.1001-1002, 1988年
[7] K. Kikuchi, “Effect of 1/f-type FM noise on semiconductor laser linewidth residual in high-power limit”, IEEE J. Quantum Electronics, vol.25, pp.684-688, 1989年
[8] K. Kikuchi, “Impact of 1/f-type FM noise on coherent optical communications”, Electronics Lett., Vol.23, pp.885-887, 1987年
[9] K. Kikuchi and T. Okoshi, “Dependence of semiconductor-laser linewidth on measurement time - evidence of predominance of 1/f noise”, Electronics Lett., vol.21, pp.1011-1012, 1985年
[10] K. kikuchi, T. Okoshi, M. Nagamatsu, and N. Henmi, “Degradation of bit-error rate in coherent optical communications due to spectral spread of the transmitter and the local oscillator”, J. Lightwave Technology, vol.2, pp.1024-1033, 1984年
[11] R. W. P. Drever, J. L. Hall, F. V. Kowalski, J. Hough, G. M. Ford, A. J. Munley, and H. Ward, “Laser Phase and Frequency Stabilization Using an Optical-Resonator”, Applied Physics B-Photophysics and Laser Chemistry, vol.31, pp.97-105, 1983年
[12] N. Satyan, W. Liang, and A. Yariv, “Coherence Cloning Using Semiconductor Laser Optical Phase-Lock Loops”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.45, pp.755-761, 2009年７月
[13] A. Yariv, Quantum Electronics (3rd Edition), New York,  NY: John Wiley and Sons, 1988年
[14] C. H. Henry, “Theory of linewidth of semiconductor lasers”, IEEE J. Quantum Electronics, vol.18, pp.259-264, 1982年
[15] C. T. Santis, S. T. Steger, Y. Vilenchik, A. Vasilyev, and A. Yariv, “High-coherence semiconductor lasers based on integral high-Q resonators in hybrid Si/III-V platforms”, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014年2月10日
[16] A. Tsekoun, R. Go, M. Pushkarsky, M. Razeghi, and C. K. N. Patel, “Improved performance of quantum cascade lasers through a scalable manufacturable epitaxial-side-down mounting process”, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol.103, pp.4831-4835, 2006年3月28日
[17] T. J. W. Ronnie, “Advances in High-Power Laser Diode Packaging”, Semiconductor Laser Diode Technology and Applications内, D. S. Patil, Ed., ed: InTech, 2012年
[18] A. W. Fang, H. Park, O. Cohen, R. Jones, M. J. Paniccia, and J. E. Bowers, “Electrically pumped hybrid AlGaInAs-Silicon evanescent laser”, Optics Express, vol.14, pp.9203-9210, 2006年
[19] A. Yariv, “Dynamic analysis of semiconductor laser as current-controlled oscillator in the optical phased-lock loop: applications”, Optics Letters, vol.30, pp.2191-2193, 2003年9月1日
[20] A. W. Fang, E. Lively, H. Kuo, D. Liang, and J. E. Bowers, “A distributed feedback Silicon evanescent laser”, Optics Express, vol.16, pp.4413-4419, 2008年
[21] N. Satyan, W. Liang, F. Aflatouni, A. Yariv, A. Kewitsch, G. Rakuljic, and H. Hashemi, “Phase-controlled apertures using heterodyne optical phase-locked loops”, IEEE Photonics Technology Letters, vol.20, pp.897-899, 2008年5月-6月
[22] N. Satyan, J. Sendowski, A. Vasilyev, G. Rakuljic, and A. Yariv, “Phase noise reduction of a semiconductor laser in a composite optical phase-locked loop”, Optical Engineering, vol.49, 2010年12月
[23] N. Satyan, W. Liang, A. Kewitsch, G. Rakuljic, and A. Yariv, “Coherent Power Combination of Semiconductor Lasers Using Optical Phase-Lock Loops”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.15, pp.240-247, 2009年3月-４月
[24] N. Satyan, A. Vasilyev, G. Rakuljic, V. Leyva, and A. Yariv, “Precise control of broadband frequency chirps using optoelectronics feedback”, Optics Express, vol.17, pp.15991-15999, 2009年
[25] W. H. Louisell, A. E. Siegman, and A. Yariv, “Quantum Fluctuations and Noise in Parametric Processes”, Physical Review, vol.124, pp.1646-&, 1961年
[26] A. Yariv, “Internal Modulation in Multimode Laser Oscillators”, Journal of Applied Physics, vol.36, pp.388-&, 1965年
[27] A. Yariv, “The Beginning of Integrated Optoelectronic Circuits”, IEEE Transactions on Electron Devices, vol.31, pp.1656-1661, 1984年
[28] A. Yariv, “Phase Conjugate Optics and Real-Time Holography”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.14, pp.650-660, 1978年
[29] M. Nakamura, A. Yariv, H. W. Yen, S. Somekh, and H. L. Garvin, “Optically pumped GaAs surface laser with corrugation feedback”, Appl. Phys. Lett., vol.22, pp.515-516, 1973年
[30] M. Nakamura, H. W. Yen, A. Yariv, E. Garmire, S. Somekh, and H. L. Garvin, “Laser oscillation in epitaxial GaAs waveguides with corrugation feedback”, Appl. Phys. Lett., vol.23, No.5, pp.224-225, 1973年
[31] E. Ip, A. P. T. Lau, D. J. F. Barros, and J. M. Kahn, “Coherent detection in optical fiber systems”, Optics Express, vol.16, No.2, pp.753-791, 2008年
[32] K. Kikuchi, “Digital coherent optical communication systems: fundamentals and future prospects”, IEEE Electronics, vol.8, No.20, pp.1642-1662, 2011年
[33] P. J. Winzer, “High-spectral-efficiency optical modulation formats”, J. Lightwave Tech., vol.30, No.24, pp.3824-3835, 2012年
[34] K. Kikuchi, T. Okoshi, M. Nagamatsu, and N. Henmi, “Degradation of bit-error rate in coherent optical communications due to spectral spread of the transmitter and the local oscillator”, J. Lightwave Technology, vol.2, No.6, pp.1024-1033, 1984年
[35] S. Ogita, Y. Kotaki, M. Matsuda, Y. Kuwahara, and H. Ishikawa, “Long cavity multiple-phase-shift, distributed feedback laser for linewidth narrowing”, Electronics Lett., vol.25, No.10, pp.629-630, 1989年
[36] H. Soda, Y. Kotaki, H. Sudo, H. Ishikawa, S. Yamakoshi, and H. Imai, “Stability in single longitudinal mode-operation in GaInAsP-InP phase adjusted DFB lasers”, IEEE J. Quantum Electronics, vol.25, No.6, pp.804-814, 1987年
[37] S. Ogita, Y. Kotaki, H. Ishikawa, and H. Imai, “Optimum design for multiple-phase-shift distributed feedback laser”, Electronics Lett., vol.24, No.12, pp.731-732, 1988年
[38] M. Okai, T. Tsuchiya, K. Uomi, N. Chinone, and T. Harada, “Corrugation-pitch-modulated MQW-DFB laser with narrow spectral linewidth (170kHz)”, IEEE Photonics Technology Lett., vol.2, No.8, pp.529-530, 1990年
[39] K. Y. Liou, N. K. Dutta, and C. A. Burrus, “Linewidth-narrowed distributed feedback injection lasers with long cavity length and detuned Bragg wavelength”, Appl. Phys. Lett., vol.50, No.9, pp.489-491, 1987年
[40] S. Ogita, M. Yano, H. Ishikawa, and H. Imai, “Linewidth reduction in DFB laser by detuning effect”, Electronics Lett., vol.23, No.8, pp.393-394, 1987年
[41] H. Ishii, K. Kasaya, and H. Oohashi, “Narrow spectral linewidth operation (<160kHz) in widely tunable distributed feedback laser array”, Electronics Lett., vol.46, No.10, pp.714-U74, 2010年
[42] A. W. Fang, H. Park, O. Cohen, R. Jones, M. J. Panicca, and J. E. Bowers, “Electronically pumped hybrid AlGaInAs-Silicon evanescent laser”, Optics Express, vol.14, No.20, pp.9203-9210, 2006年
[43] G. Roelkens, D. V. Thourhout, R. Baets, R. Notzel, and M. Smit, “Laser emission and photodetection in an InP/InGaAsP layer integrated on and coupled to a Silicon-on-Insulator waveguide circuit”, Optics Express, vol.14, No.18, pp.8154-8159, 2006年
[44] X. K. Sun, A. Zadok, M. J. Shearn, K. A. Diest, A. Atwater, A. Scherer, and A. Yariv, “Electronically pumped hybrid evanescent Si/InGaAsP lasers”, Optics Express, vol.14, No.18, pp.8154-8159, 2006年
[45] C. H. Henry, “Theory of the linewidth of semiconductor lasers”, IEEE J. Quantum Electronics, vol.18, No.2, pp.259-264, 1982年
[46] A. Yariv, Quantum Electronics (3rd edition), New York,  NY: John Wiley and Sons, 1988年
[47] T. Asano, B. S. Song, and S. Noda, “Analysis of the experimental Q factors (similar to 1 million) of photonic crystal nonocavities”, Optics Express, vol.14, No.5, pp.1996-2002, 2006年
[48] Y. Akahane, T. Asano, B. S. Song, and S. Noda, “High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal”, Nature, vol.425, No.6961, pp.944-947, 2003年
[49] B. S. Song, S. Noda, T. Asano, and Y. Akahane, “Ultra-high-Q photonic double-heterostructure nanocavity”, Nature Materials, vol.4, No.3, pp.207-210, 2005年
[50] E. Kuramochi, H. Taniyama, T. Tanabe, K. Kawasaki, Y. G. Roh, and M. Notomi, “Ultrahigh-Q one-dimensional photonic crystal nanocavities with modulated mode-gap barriers on SiO2claddings and on air claddings”, Optics Express, vol.18, No.15, pp.15859-15869, 2010年
[51] M. Notomi, “Manipulating light with strongly modulated photonic crystals”, Reports On Progress In Phys., vol.73, No.9, p.096501, 2010年
[52] M. C. Wu, Y. H. Lo, and S. Wang, “Linewidth broadening due to longitudinal spatial hole burning in a long distributed feedback laser”, Appl. Phys. Lett., vol.52, No.14, pp.1119-1121, 1988年
[53] R. Schatz, “Longitudinal spatial instability in symmetrical semiconductor lasers due to spatial hole burning”, IEEE J. Electronics, vol.28, No.6, pp.1443-1449, 1992年
[54] W. V. Sorin, K. W. Chang, G. A. Conrad, and P. R. Hernday, “Frequency-domain analysis of an optical FM discriminator”, J. Lightwave Tech., vol.10, No.6, pp.787-793, 1992年
[55] L. B. Mercer, “1/f frequency noise effects on self-heterodyne linewidth measurements”, J. Lightwave Tech., vol.9, No.4, pp.485-493, 1991年
[56] K. Kikuchi, “Impact of 1/f-type FM noise on coherent optical communications”, Electronics Lett., vol.23, No.17, pp.885-887, 1987
[57] L. Hou, M. Haji, J. Akbar, and J. Marsh, “Narrow linewidth laterally-coupled 1.55m AlGaInAs/InP distributed feedback lasers integrated with a curved tapered semiconductor optical amplifier”, Optics Letters, vol.37, No.21, pp.4525-4527, 2012年
[58] U. Kruger and K. Petermann, “The semiconductor laser linewidth due to the presence of side modes”, IEEE J. Quantum Electronics, vol.24, No.12, pp.2355-2358, 1988年
[59] E. Ip and J. M. Kahn, “Feedforward carrier recovery for coherent optical communications”, J. Lightwave Tech., vol.25, No.9, pp.2675-2692, 2007年
[60] M. Seimetz, “Laser linewidth limitations for optical systems with high order modulation employing feed forward digital carrier phase estimation”, Optical Fiber Comm. Conf., vol.1-8, pp.2470-2472, 2008年
【図２】
2016526799.tif 000018
【図３】
2016526799.tif 000019
【図５】
2016526799.tif 000020
【図９】
2016526799.tif 000021
【図１１Ａ】
2016526799.tif 000022
【図１１Ｂ】
2016526799.tif 000023
【図１１Ｃ】
2016526799.tif 000024
【図１２Ａ】
2016526799.tif 000025
【図１】
2016526799.tif 000026
【図４】
2016526799.tif 000027
【図６】
2016526799.tif 000028
【図７】
2016526799.tif 000029
【図８】
2016526799.tif 000030
【図１０】
2016526799.tif 000031
【図１２Ｂ】
2016526799.tif 000032
【図１２Ｃ】
2016526799.tif 000033
【図１２Ｄ】
2016526799.tif 000034
【図１２Ｅ】
2016526799.tif 000035
【図１２Ｆ】
2016526799.tif 000036
【図１３Ａ】
2016526799.tif 000037
【図１３Ｂ】
2016526799.tif 000038
【図１３Ｃ】
2016526799.tif 000039
【図１３Ｄ】
2016526799.tif 000040
【図１４】
2016526799.tif 000041
【図１５】
2016526799.tif 000042
【図１６Ａ】
2016526799.tif 000043
【図１６Ｂ】
2016526799.tif 000044
【国際調査報告】
2016526799.tif 000045
2016526799.tif 000046