(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のスタックされたインターサブバンド（ＩＳＢ）光サブデバイスからなる、所定の機能を有する異質インターサブバンド（ＨＩＳＢ）光デバイスであって、
前記サブデバイスのうちの少なくとも２つは、それぞれ異なる利得／損失プロファイルを有する放射遷移領域を含み、かつ、
前記各利得／損失プロファイルは前記所定の機能を生成するよう構成され、
前記ＨＩＳＢデバイスは、特定の波長範囲の全域で利得／損失特性を有する第２のデバイスと組合わせて動作するように設計されており、前記サブデバイスの前記各利得／損失プロファイルは、前記第２のデバイスの前記利得／損失特性を補償する前記ＨＩＳＢデバイスにおける利得／損失特性として前記所定の機能を生成するよう構成されることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
多数のスタックされたインターサブバンド（ＩＳＢ）光サブデバイスからなる、所定の機能を有する異質インターサブバンド（ＨＩＳＢ）光デバイスであって、
前記サブデバイスのうちの少なくとも２つは、それぞれ異なる利得／損失プロファイルを有する放射遷移領域を含み、かつ、
前記各利得／損失プロファイルは前記所定の機能を生成するよう構成され、
前記ＨＩＳＢデバイスは、特定の波長範囲の全域で非線形屈折率特性を有する第２のデバイスと組合わせて動作するように設計されており、前記サブデバイスの前記各利得／損失プロファイルは、前記ＨＩＳＢデバイスが前記第２のデバイスの前記非線形屈折率特性を補正する非線形屈折率特性を有するように、前記所定の機能を生成するよう構成されることを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
前記サブデバイスは、ＩＳＢ遷移のピークエネルギー、前記スタック内の各サブデバイスの位置、前記遷移の発振強度、前記遷移のエネルギー帯域幅、前記サブデバイスの全長、及び前記サブデバイスのドーピングレベルを含む特性パラメータの集合を有し、前記サブデバイスの前記各利得／損失プロファイルは、前記パラメータを前記所定の機能を生成するよう構成することにより決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記各ＩＳＢサブデバイスは、放射遷移領域と、この領域に隣接する注入／緩和領域を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に、インターサブバンド（ＩＳＢ）光デバイスに関する。更に詳細には、本発明は所定の機能又は特性を有する光デバイスを実現するために、ＩＳＢ光デバイスの利得／損失プロファイルを設計することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
「ＩＳＢ光デバイス」という用語は、発光器（例えば、レーザ、自発発光器など）の他に、吸光器（例えば、光検出器など）も包含する。従って、ＩＳＢ発光器は例えば、C. Gmachl et al., Appl. Phys. Lett., Vol.73, No.26, pp.3830-3832(Dec. 1998)に記載されたタイプの単一ステージカスケード型デバイスを含むこともできる。ＩＳＢ発光器は、F. Capasso et al., Solid State Communications, Vol.102, No.2-3, pp.231-236 (1997)及びJ. Faist et al., Science, Vol.264, pp.553-556 (1994)に記載されたタイプの多ステージカスケード型デバイス、すなわち、多数の概ね同一のリピートユニット（又は活性領域）を有する量子カスケード（ＱＣ）デバイスも包含する。各活性領域は、多数の概ね同一の放射遷移（ＲＴ）領域と、このＲＴ領域によりインターリーブされた多数の概ね同一の注入／緩和（Ｉ／Ｒ）領域を有する。障壁領域によりインターリーブされた量子井戸領域を含むＲＴ領域とＩ／Ｒ領域は各々、多数の半導体層から構成されている。各Ｉ／Ｒ領域の複数層のうちの少なくとも幾つかの層はドープされているが、何れの場合も、Ｉ／Ｒ領域及びＲＴ領域は単極性である。更に、ＩＳＢ活性領域という用語は、対角放射（すなわち、光学）遷移と垂直光学繊維の両方を包含する意味で使用されている。対角遷移は、上部及び下部エネルギーレベル間の光学遷移又は、これらのレベルに対応する波動関数（平方モジュラス）が全リピートユニット用の同じＲＴ領域の異なる量子井戸に概ね局在化されている状態を含む。このことは米国特許第５４５７７０９号明細書に記載されている。これに対して、垂直遷移の場合、励起状態及び低エネルギー状態は両方とも全リピートユニット用の単一ＲＴ領域の同じ量子井戸内に概ね局在化される。このことは米国特許第５５０９０２５号明細書に記載されている。両方のタイプの遷移については、F. Capassoらの前掲書にも記載されている。F. Capassoらの前掲書及び米国特許第５５０９０２５号明細書は、垂直遷移ＱＣレーザのＩ／Ｒ領域は、励起状態における電子のための有効なブラッグ(Bragg)リフレクターを形成し、かつ、低エネルギー状態からのスイフト電子のエスケープを確実にするために、ミニバンドとこのミニバンド間のミニギャップとを包含できることを指摘している。
【０００３】
更に、前記の論文に記載されているように、ソースは単一の中心波長で動作するように設計することもできるし、又は例えば、A. Tredicucci et al., Nature, Vol.396, pp.350-353 (Nov. 1998)及び米国特許第６１４８０１２号明細書に記載されているように、多重波長で動作することもできる。
【０００４】
更に別のタイプのＩＳＢ光デバイスは、超格子（ＳＬ）レーザとして公知である。このレーザでは、レーザレベルの波動関数は各ＲＴ領域内の多数の量子井戸上に広げられる。レーザ動作は、内部ミニバンドトンネル作用による単極性注入による行われる。このことは、G. Scamarcio et al., SCIENCE, Vol.276, pp.773-776 (May 1997)に記載されている。このＳＬは、A. Tredicucci et al., Appl. Phys. Lett., Vol.73, No.15, pp.3101-3103 (Oct. 1998)及び米国特許第６０５５２５４号明細書に記載されているように、予備バイアスされている。
【０００５】
前記のＩＳＢデバイスの特徴の一つは、カスケーディングスキームであり、このスキームでは、電子は非常に多数（例えば、３００〜１０００個）の概ね同じ活性領域のスタックをトラバースする。前記のように、従来技術では、カスケードの全てのステージ（すなわち、全てのリピートユニット）は互いに概ね同一である。この明細書では、このようなデバイスを、同質カスケードを有するデバイスと呼ぶ。同質カスケードに基づくレーザは低閾値電流、高平均出力及び大きなスロープ効率を示すが、現在まで、このようなレーザは、狭周波数帯域発光器、例えば、中赤外線レーザとして機能するような用途に限定されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、ＩＳＢデバイスの能力を一層完全に活用する方法の開発が求められている。特に、広範な用途を満たすための概ね任意の利得／損失プロファイルを生成するためにＩＳＢデバイスを使用可能にする方法の開発が求められている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による光デバイスは、少なくとも２個の異なるＩＳＢサブデバイスのスタックを包含する。このスタックでは、各ＩＳＢサブデバイスの利得／損失プロファイルは、この組合せのための所定の全機能を生成するために、互いに適合させるか又は設計される。全ての各ＩＳＢサブデバイスが互いに同一であるということはないので、本明細書では、この組合せデバイスを異質であると定義する。従って、以下、これをＨＩＳＢデバイスと呼ぶ。例えば、この設計プロセスを施用可能である個々のＩＳＢサブデバイスのパラメータは、▲１▼各ＲＴ領域に関連するＩＳＢ光学遷移（放射又は吸収）のピークエネルギー、▲２▼スタック内の各サブデバイスの位置、▲３▼これらＩＳＢ遷移の発振強度、▲４▼各遷移のエネルギー帯域幅及び▲５▼各ＩＳＢサブデバイスのＲＴ及びＩ／Ｒ領域の全長などである。或る実施態様では、本発明の方法は、多数の異なる波長でピークを有する利得プロファイルを設計するために使用できる。従って、各ＩＳＢサブデバイスがその特定のデザインのための適切な電界強度を経験するために印加電界がそれ自体で自己比例するような多波長ＨＩＳＢ光学ソースを実現できる。別法として、利得プロファイルは、所定の波長範囲の全域にわたって比較的フラットであるように設計することもできる。別の実施態様では、本発明の方法は別のデバイスの特性を補正する機能を生成するために使用することもできる。例えば、本発明のＨＩＳＢデバイスは、別のデバイスの損失プロファイルを補正する利得プロファイルを有するように設計することができる。別法として、利得／損失プロファイルは、別のデバイス（例えば、光ファイバ）の屈折率を補正する本発明のデバイスにおける非線形屈折率プロファイルを生成するように設計することもできる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明のＨＩＳＢ光デバイスについて具体的に説明する。説明の便宜上、図１〜３及び５と図９の挿入図（ａ）及び（ｂ）は寸法通りには作図されていない。更に、図４，７及び８の特性図における縦軸には「任意単位」という表示が付されているが、これらはｃｍ−１に比例する。
【０００９】
同質ＩＳＢデバイスの一般的構造
図１は従来技術の同質ＩＳＢ半導体発光器（例えば、ＱＣレーザ）１０の部分概要断面図である。同質ＩＳＢ半導体発光器１０は、上部クラッド領域１６と下部クラッド領域１２との間に挟み込まれたコア領域１４を有する。コア領域１４はレーザの活性領域を包含する。また、活性領域は、多数の概ね同一のリピートユニット又はステージを包含する。このため、このデバイス全体を同質と呼ぶ。代表的なデザインでは、各ステージは１個の放射遷移（ＲＴ）領域と、隣接する注入／緩和（Ｉ／Ｒ）領域を有する。全てのステージは互いに概ね同一である。
【００１０】
「ＩＳＢ」という用語は、一般的に、ＲＴ及びＩ／Ｒ領域内で起こる光学的及び電子的遷移の周知の単極特性を意味する。
【００１１】
一般的に、発光器の様々な層が形成される基板は下部クラッド層として機能する。別法として、基板と分離された下部クラッド層を、基板とコア領域との間に形成することもできる。上部クラッド領域１６及びコア領域１４は例えば、リッジ導波路レーザ構造などで一般的なメサ型又は台形型などの形状に成形される。メサは、図示されているように、コア領域１４の底部又は底部付近で停止されるまで深くエッチングするか、又は、メサが上部クラッド領域だけを通して延びるよういん、浅くエッチングすることができる。
【００１２】
何れの場合も、電気的絶縁層１８（例えば、Ｓｉ３Ｎ４又はＳｉＯ２）はデバイスの最上部に形成され、メサの頂部の一部分を露出する開口部を形成するためにパターン付けされる。別法として、絶縁層１８は、米国特許出願第０９／６１１８８６号明細書（２０００年７月７日出願）に記載されたタイプのカルコゲニドガラスから形成することもできる。上部クラッド領域と（図示されていないが、通常は高ドープト接合促進層により）接合するために、第１の電極２０が絶縁層１８上及び開口部内に形成され、かつ、第２の電極２２が基板１２上に形成される。
【００１３】
基板自体は単結晶半導体物体であるか又はこのような物体と別の層（例えば、物体の表面上に成長されたエピタキシャル層）との組合せであることができる。例えば、このタイプのレーザはIII−V族化合物半導体から形成される。例えば、約４〜２４μｍの範囲内の中赤外波長で動作するＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓなどのようなＩｎ系のIII−V族化合物類から形成される。これよりも短い波長では、ＧａＮ及びＡｌＧａＮなどのようなIII−V族化合物類を使用できる。任意の特定の材料系の範囲内において、特定動作波長は主に、ＲＴ領域を形成する量子井戸の膜厚により決定される。
【００１４】
外部電圧バイアスを与え、かつ、ポンピングエネルギー（例えば、電流）を十分な大きさのレーザに供給するために、ドライブ回路（図示されていない）が電極に接続されている。閾値以下の場合、発光器はインコヒーレントな自然放出源として動作するが、閾値より高い場合、発光器はコヒーレントな誘導放出源として動作する。後者の場合、光帰還が供給されると、誘導放出源はレーザとして機能する。好適な光帰還は一般的に、例えば、劈開結晶ファセット、分布帰還型（ＤＦＢ）格子、分布反射型（ＤＢＲ）又はこれらの組合せにより形成される光キャビティ共振器により供給される。図１において、共振器の一方の劈開ファセットは終端面として図示されているが、他方の並行ファセットはレーザの反対端面（図示されていない）であることもできる。
【００１５】
異質ＩＳＢ光デバイス
本発明によれば、ＨＩＳＢ光デバイスはそれ自体、発光器、吸光器又は光導波路あるいはこれらの組合せであり、このＨＩＳＢ光デバイスは、少なくとも２つの異なるＩＳＢ光サブデバイスのスタックを有する。このスタックでは、スタックの所定の全機能を生成するために、個々のＩＳＢサブデバイスの利得／損失プロファイルは相互に適合されるか又は設計される。例えば、この設計プロセスを施用可能である個々のＩＳＢサブデバイスのパラメータは、▲１▼各ＲＴ領域に関連するＩＳＢ光学遷移（放射又は吸収）のピークエネルギー、▲２▼スタック内の各サブデバイスの位置、▲３▼これらＩＳＢ遷移の発振強度、▲４▼各遷移のエネルギー帯域幅及び▲５▼各ＩＳＢサブデバイスのＲＴ及びＩ／Ｒ領域の全長などである。
【００１６】
図２は、コア領域が、Ｎ個のスタック活性領域１４．１−１４．Ｎを有し、これらのうち少なくとも２個は互いに異なる、すなわち、これらが異なる個別の利得／損失プロファイルを有すること以外は、図１の同質デバイスと類似のＨＩＳＢデバイス１０’の或る実施態様の部分概要断面図である。各活性領域は、ＲＴ領域と隣接Ｉ／Ｒ領域を有する別々のＩＳＢサブデバイスである。ＩＳＢサブデバイスは単極性なので、ＩＳＢ光サブデバイスがスタックされる順序は、図３のブロック図に示されるように、随意に選択することができる。図３において、個々の活性領域ＩＳＢｊ，ＩＳＢｋ，ＩＳＢｎは、Ｎ個のＩＳＢサブデバイスのうちの個々のデバイスとしてラベルされている。前記のように、個々の活性領域又はＩＳＢサブデバイスの様々なパラメータは、全体的なＨＩＳＢデバイス１０’が所定の機能を発揮し、生成し又は付与するために、相互に適合される。
【００１７】
例えば、図５に示されるように、システム又はサブシステムは、送信機４０、利用デバイス（例えば、受信機）５０と伝送媒体３０（例えば、光ファイバ、エアパス又は集積導波路）を包含する。伝送媒体３０は送信機を利用デバイスに光学的に結合する。ＨＩＳＢデバイス１０’及び別の光デバイス２０（例えば、光ファイバ、光増幅器、光導波路、光カプラ又は光合波器）は伝送路内に配置される。ＨＩＳＢデバイス１０’はデバイス２０の損失を補正するように設計することもできる。図５は、伝送媒体３０により画成されるパスに沿って縦一列に配列された２個のデバイスを示す。しかし、これらのデバイスは異なった形状に配列させることもできる。例えば、これらのデバイスをスタックさせるか又は互いに一体化させることもできる。しかし、何れの場合も、デバイス２０の例証的な損失特性は図４の曲線Ｉにより示される。この特性曲線は、代表的な中赤外光導波路の周知の二次ドルーデ損失関数の代表例である。この損失特性を補正するために、ＨＩＳＢデバイス１０’は、図４の曲線IIにより示されるタイプの利得関数を有するように設計することもできる。この目的のために、スタック内の活性領域１４．１−１４．Ｎの位置ｊの関数として、ピーク波長λ０（単位：μｍ）は下記の式（１）により得られる。
λ０（ｊ）＝３．７８｛１−１／［１＋ｅ［（ｊ−１５．９）／７．１８］］｝＋４．５５（１）
この場合、その他のパラメータ（例えば、発振強度、各ステージの全長など）は各ステージ間で一定に維持される。或る実施態様では、ＨＩＳＢの各ステージのＲＴは３個の量子井戸を有し、ステージが３６個の場合、ピーク波長（μｍ）はステージ毎に次の通りである。５，５，５，５，５．１，５．２，５．３，５．４，５．６，５．７５，５．８５，５．９５，６．１，６．２，６．３５，６．４５．６．６，６．７，６．８，６．９５，７．０５，７．１５，７．２５，７．４，７．５，７．６，７．７，７．８，７．８５，７．９，７．９５，８，８，８及び８。この一連のピーク波長は前記式（１）に正確に従わない。なぜなら、これらの波長は、図４に示されるように、５μｍ及び８μｍの付近で起こる利得オーバーシュートを補正するように僅かに調整されているからである。
【００１８】
同様に、図４の特性曲線Ｉはデバイス２０の利得プロファイルを示し、特性曲線IIはＨＩＳＢデバイス１０’の損失プロファイルを示すこともできる。
【００１９】
別法として、図４の特性曲線Ｉは、図５の外部デバイス２０の、損失特性ではなく、非線形屈折率プロファイル（例えば、光ファイバの分散性）を示すこともできる。次いで、前記に概述したような方法と同様な方法で、ＨＩＳＢデバイス１０’の、屈折率に関連される利得／損失プロファイルは、補正非線形屈折率プロファイルを生成するように設計することができる。例えば、ＨＩＳＢデバイス１０’の非線形屈折率プロファイルは、デバイス２０の屈折率プロファイルの（座標周囲における）鏡像である。従って、その単位は反対である。
【００２０】
前記のように、ＨＩＳＢデバイス１０’は、図２のクラッド領域１２及び１６により形成される集積導波路のような内部集積デバイスの損失又は非線形屈折率を補正するために使用することもできる。この場合、図２のコア領域はＨＩＳＢデバイス１０’のＩＳＢサブデバイスを包含する。言うまでもなく、所望により、ＨＩＳＢデバイス１０’は、内部デバイス及び外部デバイスの両方の特性を補正するために設計することもできる。
【００２１】
一般に、損失又は屈折率のコンテキストに拘わらず、補正の概念は、デバイス２０の特定の特性作用を完全にキャンセルする必要は無い。本明細書で使用されるように、補正は、この作用の部分的キャンセル又は低下も含む。
【００２２】
別の実施態様では、ＨＩＳＢデバイス１０’は、特定の波長範囲内のわたって比較的平坦な利得プロファイルを有するように設計することもできる。従って、説明のために、ＨＩＳＢがＮ＝５０の各ＩＳＢサブデバイス又はステージを有する場合について検討する。ピーク放出のエネルギー位置が１ｍｅＶ毎に増分するように５０ステージ内で直線的に変化するような５０ステージを設計し、更に、個々のＩＳＢ遷移が下記の級数に比例するように、ＩＳＢ遷移の発振強度を設計する。｛０．８５８１，０．８３８５５８，０．８１９６２，０．８０１２６，０．７８３４５，０．７６６１６７，０．７４９３８８，０．７３３０９１，０．７１７２５６，０．７０１８６３，０．６８６８９５，０．６７２３３，０．６５８１６２，０．６４４３６７，０．６３０９３２，０．６１７８４３，０．６０５０８９，０．５９２６５５，０．５８０５３，０．５６８７０３，０．５５７１６３，０．５４５９，０．５３４９０４，０．５２４１６５，０．５１３６７５，０．５０３４２５，０．４９３４０７，０．４８３６１３，０．４７４０３７，０．４６４６７，０．４５５５０６，０．４４６５３８，０．４３７７６１，０．４２９１６８，０．４２０７５４，０．４１２５１３，０．４０４４４，０．３９６５２９，０．３８８７７７，０．３８１１７８，０．３７３７２７，０．３６６４２１，０．３５９２５６，０．３５２２２７，０．３４５３３，０．３３８５６２，０．３３１９２，０．３２５３９９，０．３１８９９７，０．３１２７１，０．３０６５３６｝。この級数は図６のグラフに図示されている。これは、放出ライン強度に比例する、単一の垂直遷移活性領域の放出ライン下部のエリアから算出される。このような方法で、これら２つのパラメータ（すなわち、ピーク位置及び発振強度）の設計を併用すると、図７に示される算出利得プロファイルが得られる。これは、約６．７５〜７．７５μｍの範囲内の波長全域で比較的平坦である。更に一層平坦なプロファイルは、Ａ−ｎ（ここで、Ａは単一の垂直遷移の放出ライン強度（スペクトル線より下部のエリア）に比例し、ｎ＞１である）に比例する発振強度級数を用いることにより、又は、プロファイルの波長範囲も広げる、ステージ個数を増加することにより、及び／又はプロファイルの波長範囲も広げる、エネルギー位置の増分サイズを増加することにより実現することができる。全体的に異なる波長範囲の全域における比較的平坦なプロファイルは、ＲＴ領域の材料を変更することにより（例えば、約５μｍ（例えば、約１〜４μｍ）未満の波長についてＧａＮ／ＡｌＧａＮＲＴ領域を用いることにより）、又は約８．５μｍよりも長い波長についてＲＴ領域内の一層厚い量子井戸を用いることにより実現することができる。
【００２３】
更に別の実施態様では、ＨＩＳＢデバイス１０’は複数の異なる波長で同時に発光するように設計することもできる。図８は、４種類の異なる波長の場合に、このようなＨＩＳＢの利得プロファイルを示す。ここで、４個のステージの発振強度はピーク強度が互いに概ね整合するように設計される。ピーク波長のエネルギーは、４個のステージにわたって直線的に変化する。すなわち、４個の等しい増分は、８．５，８．０，７．５６及び７．２μｍで発光する。対応する発振強度はそれぞれ２．５，１．４，１．１及び１．０に比例する。この場合、各ステージのＲＴ及びＩ／Ｒ領域の全長は、所望の利得プロファイルに殆ど悪影響を及ぼさない。このタイプのレーザは、ＷＤＭシステムで使用するための超ブロードバンドソースとして機能することができる。各チャネルのための必要な搬送信号を生成するために濾波する必要が無いという利点が得られる。このようなＨＩＳＢレーザの用途の一つは、無空間光ワイヤレスシステムである。しかし、現在市販されている光ファイバＷＤＭシステムにおけるような、チャネル間隔が非常に接近している場合、図４に示されるようなタイプの利得プロファイルを有するＨＩＳＢは、必要なチャネル間隔を有する搬送信号を生成するための適当な濾波手段と共に使用することもできる。
【００２４】
【実施例】
この実施例では、本発明の或る実施態様による、III−V族化合物半導体からなるＨＩＳＢレーザについて例証する。このＨＩＳＢレーザの利得プロファイルは５．２μｍと８．０μｍにおける同時放出を生成するように設計されている。様々な材料、寸法及び動作条件が例示されているが、これらは単なる説明の目的だけのために開示されているのであり、本発明の範囲がこれらの例示に限定されることはない。本明細書で使用されている、「非ドープト(undoped)」という用語は、特定の半導体層又は領域が意図的にドーピングされていないことを意味する。すなわち、このような領域又は層のドーピングは比較的低く、これらは典型的には、デバイスの層を成長させるために使用されたチャンバ内の残留又はバックグラウンドドーピングにより生じる。
【００２５】
Ｎ＝２Ｍである場合の図２に示され、同様に、図９（Ａ）にも示されたタイプの形状の互いの頂部にスタックされた、２個の個別のＩＳＢサブデバイス又はレーザ活性領域を有するＨＩＳＢＱＣレーザの或る実施態様を実験的に例証する。或るサブデバイスでは、ステージ１〜ステージＭは互いに同一であり、ＲＴ領域は約５．２μｍで放射するように設計され、一方、他のサブデバイスでは、ステージ（Ｍ＋１）〜ステージＮも互いに同一であるが、ＲＴ領域は約８．０μｍで放射するように設計されている。ＩＳＢサブデバイスは約５．２μｍ及び８．０μｍの波長で同時に放射されるように本質的に最適化されたＱＣ構造体（下記で説明する）であり、その（比較的低い動作温度における）性能レベルは、これらの対応する同質ＱＣレーザと概ね等しい。驚くべきことに、ＨＩＳＢの設計電界を調整する必要性は存在しない。その代わりとして、この構造体は印加バイアス下で明らかに自己比例性である。すなわち、各個別ＩＳＢサブデバイスは、印加バイアスの適当なフラクションが本質的に割り当てられる。更に、エッチング停止層が２個のＩＳＢサブデバイス間に挿入されている。別の実施態様では、図９（Ｂ）に示されるように、この特徴により、電気的“タップ”をカスケード内に成形することができる。このタップを使用することにより、結合された５．２μｍレーザは妨害されることなく動作させながら、８．０μｍレーザをＯＮ／ＯＦＦして、一方のＩＳＢサブデバイスのレーザ閾値を選択的に操作した。
【００２６】
この構造体はＩｎＰ基板に整合されたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ材料系格子で分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により成長させた。先ず、比較的低ドーピング（ｎ＝５×１０１６ｃｍ−３）された厚さ６００ｎｍのＩｎＧａＡｓバッファ層を、比較的低ドーピング（ｎ〜５×１０１７ｃｍ−３）されたＩｎＰ基板上に成長させた。これは同時に底部クラッド層として機能する。各々Ｎｐ＝１５ＲＴ領域を包含する２個のＩＳＢサブデバイスを有する導波路コアを適当な整合Ｉ／Ｒ領域によりインターリーブした。７０４ｎｍ（７１９ｎｍ）の全体厚さを有する底部（頂部）スタックとしては、C. Gmachl et al., IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., Vol.5, No.3, pp.808-816(1996)及びJ. Faist et al., Appl. Phys. Lett., Vol.68, No.26, pp.3680-3682(1996)に記載されているような、８．０μｍ（５．２μｍ）で放出するように設計された構造体を使用した。Ｉ／Ｒ領域は２．４×１０１１ｃｍ−２（３．１×１０１１ｃｍ−２）のシート密度にまでドーピングした。２個のＩＳＢサブデバイスは、２枚の厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＡｓ層に間に挟み込まれた厚さ５０ｎｍのＩｎＰエッチング停止層により分離させた。これら３層は全て比較的低くドーピング（ｎ＝５×１０１６ｃｍ−３）されていた。その理由は、これら３層は導波路コアの概ね中心付近に配置されており、過剰なドーピングは高い導波路損失を生じるからである。C. Sirtori et al., Appl. Phys. Lett., Vol.66, No.24, pp.3243-3244(1995)に記載されるように、このコアは、厚さ４００ｎｍの比較的低ドーピングされたＩｎＧａＡｓ、厚さ２．３μｍの比較的低ドーピングされたＡｌＩｎＡｓ（ｎ＝１×１０１７ｃｍ−３で１．５μｍ、続いてｎ＝２×１０１６ｃｍ−３で８００ｎｍ）及び厚さ５００ｎｍの比較的高ドーピングされたＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１×１０１７ｃｍ−３）によりキャップされており、これにより、８．０μｍ放射のためのプラズモン強化閉じ込めがもたらされる。８．０μｍ及び５．２μｍの各波長について、導波路損失αｗ８及びαｗ５はそれぞれ２４ｃｍ−１及び７ｃｍ−１と推定される。
【００２７】
図９は２つの波長に関する縦モードプロファイルを示す特性図である。波長８．０μｍ及び５．２μｍのＩＳＢサブデバイスに関する閉じ込め係数Γ８及びΓ５（すなわち、各２個の活性領域によるガイドモードの重複）は０．２１及び０．２６と算出された。図９は、２個のＨＩＳＢデバイスの模式的断面も示す。この断面部分をその後の実験に使用した。すなわち、挿入図（ａ）における深エッチングメサと挿入図（ｂ）における浅エッチングメサを使用した。挿入図（ｂ）における浅エッチングメサは、先ずエッチング停止層まで選択的にエッチングした。その後、このエッチング停止層を第２の選択的エッチング処理において除去した。３００ｎｍ厚のＳｉＮを絶縁層として塗布し、そして、メサの頂部と、隆起部から１０〜２０μｍ離れた箇所の一方の側面に窓（ウインドウ）を形成した。Ｇｅ／Ａｕ／Ａｇ／Ａｕを蒸着することにより側面窓内に電気抵抗接点２０．２を形成した。この接点はカスケードに電気的“タップ”を形成する。挿入図（ａ）及び挿入図（ｂ）の両方のタイプのデバイスについて、隆起部の他方の側面にボンディングパッドを有するメサの頂部にＴｉ／Ａｕ接点メタライゼーションを蒸着した。背面接点２２を常法により形成した。レーザ隆起部を約１２〜１８μｍのストライプ幅に加工処理した。そして、レーザを２．２５ｍｍの長さに劈開し、約５．６ｃｍ−１のミラー損失αｍ８及びαｍ５を得た。直径が１２０μｍの深エッチング円形メサも加工処理した。デバイス特性決定は、ＱＣレーザ構造体で一般的に使用されている方法により行った。
【００２８】
図１０は閾値電流密度値未満及び以上に対応する様々なパルス化電流レベルに対する１０Ｋヒートシンク温度において測定されたルミネセンススペクトルを示す。点線は測定したままのスペクトルを示す。ルミネセンス発光を円形メサから測定した場合、光は一般的に基板を通して集光される。従って、ドーピングされた基板中で一層長い波長により経験される一層高い吸収損失（この損失は波長に対して概ね二次方程式的に増加する）を補正し、また、２つの波長における異なる検出器感度（及び暗に、光子エネルギー）も考慮し、実線で示されたスペクトルを得た。
【００２９】
図示されているように、２つの波長におけるピーク発光強度は概ね同一であり、広範な電流密度全体にわたって同一性を維持する。同様に、波長５．２μｍにおける発光は若干弱いが、統合出力は数％の範囲内で同一である。同一性は偶然であるが、これらの上部レーザレベルの発振強度と散乱寿命を最大化させることにより、両方のＩＳＢサブデバイスを最適化させることができる。電子ルミネセンス出力はＥｚ２τＮｐＩη｛式中、Ｅは光子エネルギー（８．０μｍ及び５．２μｍでそれぞれ１５６ｍｅＶ及び２３９ｍｅＶ）であり、ｚは光学マトリックス二極性要素（それぞれ１．９ｎｍ及び１．５ｎｍ）であり、τは上部状態の散乱寿命（８．０μｍ及び５．２μｍでそれぞれ１．７ｐｓ及び１．６ｐｓ）である｝の積に比例する。Ｎｐ＝１５（ＲＴ領域の個数）は、両方のＩＳＢサブデバイスについて同一であるように選択した。また、両方のＩＳＢサブデバイスが直列に配列されているため、電流Ｉは生得的に両方のＩＳＢサブデバイスについて同一である。最後に、η（収集効率）は補正スペクトルにおけるものと考えられる。従って、５．２μｍにおけるエレクトロルミネセンス出力は８．０μｍにおけるエレクトロルミネセンス出力よりも約１０％だけ低いものと予想される。この結果は、実験データについて非常に一致している。図１０は、前記のように劈開された各８．０μｍ及び５．２μｍレーザの特徴的なファブリ・ペローモードを示すレーザスペクトルを示す２つの挿入図（ａ）及び（ｂ）も含む。
【００３０】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、様々なヒートシンク温度におけるパルス化モードで動作されるＨＩＳＢレーザの光出力対電流及び電圧対電流特性を示す特性図である。このレーザは幅が１２μｍ、長さが２．２５ｍｍであった。図１１Ａは、補正済ＨｇＣｄＴｅ光起電力検出器を用いて、かつ、５．２μｍの輻射線を抑制するために６．２５μｍ付近のカットオフ波長を有するローパスフィルタを使用して測定された、８μｍにおける光出力を示す。これに対して、図１１Ｂは、５．２μｍ放出の特性曲線（実線）と両方の波長を同時に測定した非補正パワー測定値（点線）をそれぞれ示す。低温閾値電流密度は、８．０μｍ及び５．２μｍについて、それぞれ２．６７ｋＡ／ｃｍ２及び２．７ｋＡ／ｃｍ２であった。低温で、両方の波長が概ね同じ電流レベルにおけるレーザ閾値に到達したことは、このレーザの一般的属性である。測定されたピークスロープ効率値は約１３０ｍＷ／Ａ及び１７０ｍＷ／Ａであり、ピーク出力レベルは８．０μｍ及び５．２μｍについて、それぞれ３００ｍＷ及び２２０ｍＷであった。これらは全て、５０Ｋヒートシンク温度で測定した。これらの値は、Gmachlら及びFaistらの前掲書に記載されるような同質カスケードデザインを使用する同様なレーザによる値に比べて勝るとも劣らなかった。
【００３１】
Gmachlら及びFaistらの前掲書により既に計算された８．０μｍ及び５．２μｍに対するそれぞれ６０ｃｍ／ｋＡ及び２５ｃｍ／ｋＡの２つのＩＳＢサブデバイスの利得係数と前記の導波路パラメータを使用し、それぞれ２．３５ｋＡ／ｃｍ２及び１．９５ｋＡ／ｃｍ２の閾値電流密度を算出した。特に、一層長い波長の場合、実験値との非常に優れた合致が達成された。また、この事実は、５．２μｍサブデバイスとの結合されていることによる、レーザ性能に対するペナルティは経験されなかったことを意味する。５．２μｍにおける一層大きな測定閾値電流密度は、実験導波路損失が導波路損失計算値よりも一層大きいことから、あり得ることである。しかし、一層長い波長活性領域における短い波長輻射線の交差吸収は、適当な共鳴エネルギーレベルが存在しないために、除外されるべきである。
【００３２】
また、図１１Ａは、同じＨＩＳＢレーザの電圧対電流特性も示す。低温閾値電圧は〜７．５Ｖであり、ピーク光パワーは〜９．５Ｖの印加バイアスで到達した。２つのＩＳＢサブデバイスの設計電界、すなわち、８．０μｍ及び５．２μｍについてそれぞれ４５ｋＶ／ｃｍ及び７５ｋＶ／ｃｍから、８．５６Ｖの動作電圧が予測されたが、この値は測定値と非常に合致した。短い波長のサブデバイスの設計電界（すなわち、７５ｋＶ／ｃｍ）では、長い波長のサブデバイスはもはや動作しない。なぜなら、インジェクターグラウンド状態から上部レーザ状態へのトンネル注入が不可能だからである。従って、両方の波長についてレーザ動作が行われる大きな動的電圧範囲（〜２Ｖ）を考慮すれば、各ＩＳＢサブデバイスが印加バイアスの適当なフラクションに割り当てられたことは明白である。
【００３３】
最後に、図１２は、図９の挿入図（ｂ）に模式的に図示されている、“タップ形成”ＨＩＳＢレーザの性能を示す特性図である。このデバイス形状では、上部の５．２μｍサブデバイスだけが電流閉じ込めを経験し、下部の８．０μｍサブデバイスは広域構成を有し、この構成により、複数の層の平面内におけるかなりの電流拡散が可能になる。その結果、８．０μｍサブデバイスの場合、一層高い閾値電流が得られる。このＨＩＳＢレーザは幅が１３μｍ（５．２μｍサブデバイスにおける測定値である）で、長さが２．２５ｍｍであった。このレーザは、１０Ｋヒートシンク温度において、５．２μｍ輻射線の場合、１．２０Ａの閾値電流を示した。しかし、８．０μｍ輻射線の閾値電流は“タップ”の回路構成に応じて変化する。“タップ”接点がオープン回路構成において左側に存在した場合、測定された閾値電流は２．２４Ａであった。しかし、“タップ”接点が底部接点に短絡回路されていた場合、閾値電流は２．３６Ａにまで増大する。これは５％の向上に相当する。この閾値の僅かなシフトは“タップ”接点から引き出され、そして底部のサブデバイスをバイバスした電流によるものであった。８．０μｍサブデバイスのレーザ閾値の一層大きな変調は、例えば、一層効率的な（すなわち、一層厚いか又は高度にドープされた）“タップ”によるか若しくは深エッチングメサ構成により実行可能でなければならない。いずれの場合も、この実験は、カスケード内へのタップ形成はＩＳＢレーザで有益に使用できるという原理の最初の証明を与えた。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＨＩＳＢは吸光器として機能することもでき、また、発光器として機能することもできる。しかし、吸光器として機能する場合、ドーピングは、前記の設計方法に包含させることができる追加パラメータである。この点に関して、ＩＳＢ光デバイスは、（遷移の自然ライン幅にも拘わらず）ＩＳＢ遷移のピーク波長の両側において概ね透明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による同質ＩＳＢ光デバイスの部分概要断面図である。
【図２】本発明の或る実施態様によるＨＩＳＢデバイスの部分概要断面図である。
【図３】図２の実施態様のような、本発明の或る実施態様によるＨＩＳＢデバイスの概要ブロック図である。
【図４】代表的な中赤外光導波路の二次ドルーデ損失関数（曲線Ｉ）と、本発明の別の実施態様によるＨＩＳＢデバイスの補正利得プロファイル（曲線II）との算出特性図である。
【図５】本発明の更に別の実施態様による、ＨＩＳＢと、補正されるべき特性を有する別の光デバイスとの直列配列を包含するシステム又はサブシステムの概要ブロック図である。
【図６】本発明の更に別の実施態様による、図７に示されるような約６．７５〜８．７５μｍの波長範囲における比較的フラットな利得プロファイルを生成するためにＨＩＳＢデバイス全域における発振強度の変動を示す特性図である。
【図７】図６の実施態様の算出利得プロファイルを示す特性図である。
【図８】本発明の１つ以上の実施態様により、本発明のＨＩＳＢデバイスを４種類の異なる波長で輻射線を同時に発生させることを可能にする、４種類の異なる波長においてピークを有するＨＩＳＢ光デバイスの算出利得プロファイルを示す特性図である。
【図９】本発明の別の実施態様による２波長ＨＩＳＢレーザのモード強度プロファイルを示す特性図である。このプロファイルは、導波路層に対して垂直な方向で計算され、かつ、８μｍ（点線）と５．２５μｍ（実線）の放射波長について計算された。各スタックの活性領域（ＲＴ及びＩ／Ｒ領域）の位置及びエクステントは、曲線下部のハッチングされた領域により示される。挿入図（ａ）は、２波長ＨＩＳＢレーザの深エッチング実施態様の部分概要断面図であり、挿入図（ｂ）は、２波長ＨＩＳＢレーザのタップ形成カスケード実施態様の部分概要断面図である。
【図１０】図９の挿入図（ａ）に示されたタイプのラウンド、深エッチングメサ、２波長ＨＩＳＢ発光器の電光スペクトルを示す特性図である。これらの発光器は１０Ｋのヒートシンク温度におけるパルスモードで動作された。点線の曲線はポンプ電流が１００ｍＡにおいて測定されたスペクトルを示し、実線の曲線はポンプ電流が１００ｍＡ〜４００ｍＡにおける、波長依存性収集効率の補正されたスペクトルを示す。対応する電流密度は０．８８，１．７７，２．６５及び３．５４ｋＡ／ｃｍ２であった。挿入図は２Ａのピークポンプ電流（すなわち、閾値電流の約３倍）で動作される深エッチングリッジ導波路ＨＩＳＢレーザに関する閾値以上の放射スペクトルを示す。ファブリ・ペローモード上の観察された非単調エンベロープはしばしば、結晶欠陥により引き起こされる、レーザリッジに沿ったサブキャビティの生成に対する属性である。実際、タップ形成カスケードデバイス内のエッチング停止層の成長は、２つの成長チャンバ間でウエハを２回転送することを含む。従って、成長中断界面では欠陥密度が高くなりやすい。図１２の挿入図（ａ）は平滑なエンベロープを有するスペクトルを示す。
【図１１】Ａ  パルス化モードで動作される深エッチング、リッジ導波路ＨＩＳＢレーザの、光パワー（Ｌ）出力及び電圧（Ｖ）対電流（Ｉ）特性を示す特性図である。レーザは幅が１２μｍで、長さが２．２５ｍｍであった。測定は５０〜３００Ｋのヒートシンク温度で行った。図１１Ａは、８．０μｍにおける放射のＩ−Ｖ及びＬ−Ｉ特性を示す特性図である。レーザは、約５０ｎｓの持続時間と約８４．２ｋＨｚの反復速度を有する電流パルスによりパルス動作された。
Ｂ  パルス化モードで動作される深エッチング、リッジ導波路ＨＩＳＢレーザの、光パワー（Ｌ）出力及び電圧（Ｖ）対電流（Ｉ）特性を示す特性図である。レーザは幅が１２μｍで、長さが２．２５ｍｍであった。測定は５０〜３００Ｋのヒートシンク温度で行った。図１１Ｂは、５．２μｍの放射波長におけるＬ−Ｉ特性（実線）と、検出器に同時に到達する両方の導波路の光による非補正Ｌ−Ｉ特性（点線）を示す特性図である。レーザは、約５０ｎｓの持続時間と約８４．２ｋＨｚの反復速度を有する電流パルスによりパルス動作された。
【図１２】図９の挿入図（ｂ）に示されたタイプのタップ形成カスケードＨＩＳＢレーザに関するパルス化Ｌ−Ｉ−Ｖ（Ｌは８．０μｍの波長におけるものである）特性を示す特性図である。レーザは幅が１３μｍで、長さが２．２５ｍｍであり、１０Ｋのヒートシンク温度で動作された。点線の特性曲線はオープン回路構成におけるタップ接点により得られ、実線の特性曲線は底部接点と短絡され、それにより８．０μｍレーザに対して比較的小さなバイパス電流が与えられるタップ接点により測定された。Ｉ−Ｖ特性はタップ接点と底部接点との間で測定された。挿入図は２．３Ａのピークポンプ電流において得られたスペクトルを示す。挿入図（ａ）はオープン回路構成におけるタップ接点に関して測定され、挿入図（ｂ）は短絡回路構成におけるタップ接点に関して測定された。５．２μｍレーザはタップ接点構成に関係無く発光した。
【符号の説明】
１０  同質ＩＳＢ半導体発光器
１０’異質ＩＳＢ半導体発光器
１２  下部クラッド領域（基板）
１４  コア領域
１６  上部クラッド領域
１８  電気的絶縁層
２０  第１の電極
２２  第２の電極
３０  伝送媒体
４０  送信機
５０  利用デバイス（例えば、受信機）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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