JPH11507471A - マイクロキャビティ半導体レーザ - Google Patents

マイクロキャビティ半導体レーザ

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Abstract

(57)【要約】 第１のレーザ用マイクロディスク（１０）と、断面周囲が円形のマイクロキャビティを規定するマイクロシリンダまたはマイクロ環と、異なる面上にあって共鳴フォトントンネリングによって光学的にカップリングした第２の導波管用マイクロ部材（１２）とを含むレーザ。この第２の導波管用マイクロ部材は、マイクロキャビティのＱ値と低いレーザしきい値に悪影響を及ぼすことなく、レーザから光出力を形成するために、光出力カップリング（１８）を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロキャビティ半導体レーザ 発明契約の原点 本発明は、ナショナルサイエンスファンデーションによって授与された認可番 号：ＥＣＳ−９２１０４３４および防衛省の先端研究プロジェクトエイジェンシ イによって授与された認可番号：Ｆ３０６０２−９４−１−０００３を基にした 政府支援によってなされたものである。政府はこの発明において一定の権利を有 するものである。 発明の分野 本発明は、マイクロキャビティ半導体レーザに関し、特にマイクロディスク、 マイクロシリンダ、マイクロ環等の半導体レーザに関する。 発明の背景 マイクロキャビティ半導体レーザは最近、液体窒素温度および室温での動作に 対して記載されている。このようなマイクロキャビティ半導体レーザは、適度に 小さな直径を有するマイクロディスクあるいはマイクロシリンダの周囲を飛び回 るフォトンが連続して完全に反射されるような、ウイスパリングギャラリーモー ド（whispering gallery mode）の形状の光学モードを支持する、能動的レーザ 媒体を使用している。薄いマイクロディスクあるいはマイクロシリンダは、光学 モードをマイクロディスクまたはマイクロシリンダ内の垂直方向に強く束縛しか つ一個以上の量子井戸を有する能動的レー ザ媒体にカップリング（結合）するように、能動的レーザ媒体に対して屈折率が 大きく異なった（例えば空気のような）周囲媒体中に配置されている。例えば、 ウイスパリングギャラリーモードのマイクロディスク半導体レーザは、ＭａＣａ ｌｌ ｅｔ ａｌ．によって、１９９２年１月２０日発行のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ ．Ｌｅｔｔ． ６０、（３）の“ウイスパリングギャラリーモードマイクロディス クレーザ”において記載されている。ウイスパリングギャラリーモードマイクロ シリンダ半導体レーザは、Ｌｅｖｉ ｅｔ ａｌ．による１９９３年４月２６日 発行のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２、（１７）の“Ｉｎ0.51Ｇａ0.49Ｐ ／Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓマイクロシリンダレーザダイオードにおける室温レーザ動 作”において記載されている。 マイクロキャビティ半導体レーザは、そのサイズが非常に小さく、マイクロワ ットの範囲の実質的により少ない最小動作電流（電力）を必要とする点で、通常 の半導体レーザに比べて有用である。しかしながら、このようなマイクロキャビ ティレーザからは、光の指向性カップリングが存在しない。実際、フォトンは、 マイクロディスクまたはマイクロシリンダ内に強く束縛されている。有用な応用 に対してはレーザからの光の指向性カップリングが必要であるため、この事態は 不都合である。 最近、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２、５６１（１９９３）の“マイク ロディスクレーザからの指向性光カップリング”においては、単一の円形マイク ロディスク中に非対称点を導入して、この非対称点から漏洩するレーザ光の量が 増加する位置を形成している。さらに、そこからの光をカップリングするために マイクロディスク上に直接回折格子を設けることが示唆されている。しかしなが らマイクロディスクのサイズが小さいために、マイクロキャビティ のＱ値（品質因子）とレーザしきい値の低さとに同時に悪影響を及ぼすことなく 、その上に回折格子または他の光出力カップリング構造を形成することは、その 達成が非常に困難である。 本発明の目的は、マイクロキャビティのＱ値とレーザしきい値の低さに不利な 影響を実質的に及ぼすことなく、レーザからの光カップリングに従う特性を備え たマイクロキャビティ半導体レーザを提供することである。 本発明のその他の目的は、このレーザからの光を光集積回路へカップリングす るための特性を備えたマイクロキャビティ半導体レーザを提供することである。 発明の開示 本発明は、断面周囲が円形のレーザ用マイクロキャビティを有するマイクロデ ィスク、マイクロシリンダまたはマイクロ環のような第１のマイクロ部材と、レ ーザ成長プロセスによるレーザの製造期間中の異なるエピタキシャルレベルのよ うな、異なる面上の第１のレーザ用マイクロ部材から離れた、マイクロディスク 、マイクロシリンダまたはマイクロ環を含む第２の導波管用マイクロ部材とを備 える、マイクロキャビティ半導体レーザを提供する。第１のレーザ用マイクロ部 材と第２の導波管用マイクロ部材は、例えばこれらのマイクロ部材間に低屈折率 材料を配置すると共に選択された距離だけ互いに離すことによる共鳴フォトンカ ップリングによって、光学的にカップリングされている。第１のレーザ用マイク ロ部材と第２の導波管用マイクロ部材は、その間に所定のカップリング効率をも たらすように選択された距離だけ離れている。レーザ用マイクロキャビティの高 いＱ値と低いレーザしきい値は、光出力カップリングを第１のレーザ用マイクロ 部材上よりはむしろ第２の導波管用マイ クロ部材上に設けることによって、維持される。 本発明の一実施例では、第２の導波管用マイクロ部材上の光出力カップリング は、導波管用マイクロ部材の外側周辺を中断する、一個以上のフラットな表面ま たは窓のような表面を備えている。あるいはまた本発明の別の実施例では、この 光出力カップリングは、導波管用マイクロ部材の軸端面上で、かつ光放出の垂直 成分を有する、回折格子または表面を備えている。さらにまた本発明の別の実施 例では、光出力カップリングは第２の導波管用マイクロ部材に合体した直線状の 出力導波管、または本発明の付加的な実施例に準じたマイクロ部材の外側周辺を 取り囲む弓状の導波管を備えている。 本発明のある実施例では、第１のマイクロ部材は、適当なバリア層によって分 離された量子井戸としての一個以上のＩｎＧａＡＳ半導体マイクロディスク、マ イクロシリンダまたはマイクロ環を含み、第２の導波管用マイクロ部材はＩｎＧ ａＡｓＰ半導体マイクロディスク、マイクロシリンダまたはマイクロ環を含んで いる。光学的カップリングは、低屈折率ＩｎＰの台座、マイクロシリンダまたは マイクロ環を含んでいる。 本発明はまた、断面周囲が円形の導波管用またはレーザ用マイクロ部材と、光 出力を形成するために導波管用マイクロ部材の周囲の一部分を取り囲む弓状の光 出力導波管とを備えるレーザを提供する。弓状の光出力導波管は、マイクロ部材 を取り囲む環状部分と一端で終止する少なくとも一個の直線部分とを備えること ができる。光出力導波管は、光学回路に光の出力信号を提供するために、基板上 に存在する光集積回路に適合する基板上の一レベルにある。 本発明のレーザは、業務応用において使用可能でありかつ光集積回路と適合し うるレーザからの光出力カップリングを形成する一方で、マイクロキャビティ半 導体レーザに関係した効果を提供する。 本発明の前述の目的および効果は、以下の図面を参照した以下の詳細な記載に よって、より明瞭に理解されるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の一実施例にかかるマイクロキャビティ（マイクロディスク） レーザの概略図である。 図２は、本発明の一実施例に従った、マイクロディスク間の間隔が０．６５μ ｍである二重ディスクレーザの、カップリングパーセント対カップリング長のグ ラフである。 図３は、本発明の一実施例に従った、二重マイクロディスクレーザの、レーザ スペクトル対波長のグラフである。 図４は、図１に示す波長１．５μｍのレーザの上部導波管用マイクロディスク における開口からのエッジ発光レーザ光出力の写真である。 図５は、本発明の他の実施例にかかるマイクロキャビティ（マイクロシリンダ ）レーザの概略図である。 図６は、下部導波管用マイクロシリンダと合体した光出力カップリング導波管 を含む、図５と類似のマイクロキャビティ（マイクロシリンダ）レーザの概略図 である。 図７は、本発明の二重マイクロシリンダレーザの概略図であって、その層構造 を示すものである。 図８は、下部マイクロ部材の円形周辺の一部分と間隔を置きこれを取り囲む弓 状の導波管を含む、本発明の他の実施例に従った、マイクロキャビティレーザの 概略図である。 図９は、下部マイクロ環の円形周辺の一部分と間隔を置きこれを取り囲む弓状 の導波管を含む、本発明の他の実施例に従った、マイクロキャビティレーザの概 略図である。 発明を実施するための最良の形態 図１を参照すると、本発明の一実施例にかかるマイクロキャビティ半導体レー ザは、図１においてレーザ用ディスクとして言及される第１の下部マイクロディ スク（マイクロ部材）１０と、図１においてガイド用ディスクとして言及され、 光の吸収を低く抑えるために下部マイクロディスク１０とは異なる面（エピタキ シャル層成長時の、異なるエピタキシャルレベル）上に配置された第２の上部透 明導波管用マイクロディスク（マイクロ部材）１２とを含むものとして、概略的 に示されている。第１の下部レーザ用マイクロディスク１０と第２の上部導波管 用マイクロディスク１２は、同じ直径を有するものとして示されている。しかし ながら本発明はこれに限定されるものではなく、マイクロディスク間の光カップ リング効率を多少減少させはするが異なる直径と異なる形状を有するマイクロデ ィスク１０、１２によっても実施することが出来る。第１の下部レーザ用マイク ロディスク１０は、例えば、光学的（例えば適正なデューティサイクルのパスル 光を提供するポンピングレーザによって）または電気的（例えばマイクロ部材の 上部および下部に取り付けられたリードワイヤを介した適正なデューティサイク ルの電流パルスによる）手段によって周知の様に励起される。 下部レーザ用マイクロディスク１０と上部導波管用マイクロディスク１２は、 マイクロ部材間に低屈折率材料を配置しながらある選択された距離だけ互いに離 すことによる、フォトンの共鳴トンネリングによって光学的にカップリングされ ている。図１において、マイクロディスク１０、１２はＩｎＰを含む台座１４に よって離れて配置されているが、本発明ではこれに限定されるものではなく、マ イクロディスクはつり下げられ、あるいはマイクロディスク間に例えば空気、Ｓ ｉＯ2、アクリルまたは半導体（例えばＩｎＰ）のよ うな低屈折材料を配置してその間にフォトンの共鳴トンネリングを形成する別の 方法で間隔を開けて配置される。下部レーザ用マイクロディスク１０は、一体型 の直立した台座１６によって下部基板に接続されている。上部導波管用ディスク １２は、レーザからの光出力カップリングとして、円周上のＶ形状またはくさび 形の開口またはノッチ１８を含んでいる。 図１に示す二重マイクロディスクレーザは、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰの 分子ビームエピタキシャル層成長によって形成され、その後複数ステップのフォ トリゾグラフィ技術および選択的反応イオンエッチング技術によって、図示の二 重ディスク形状に整形された。特に、図１に示す半絶縁性（１００）ＩｎＰ基板 の上に、最初のＩｎ0.84Ｇａ0.16Ａｓ0.33Ｐ0.67エッチングストップ層を成長さ せた。次に、厚さ１．０μｍのＩｎＰ台座層をエッチングストップ層上に成長さ せた。この台座層上に、厚さ０．２μｍのマイクロキャビティ量子井戸（ＭＱＷ ）層を成長させた。このＭＱＷ層は、厚さが約７００オングストロームのバリア 組成のエンドキャップ層と共に、約１００オングストローム厚さのＩｎ0.84Ｇａ0.16 Ａｓ0.33Ｐ0.67バリア層によってサンドイッチされた、それぞれが約１００ オングストロームの厚さを有する３個のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ量子層即ち井戸を 含む様に成長させた。厚さが０．６５μｍである第２のＩｎＰ台座層を、ＭＱＷ 層上に成長させ、次に最終的なＩｎ0.84Ｇａ0.16Ａｓ0.33Ｐ0.16の不動層（パッ シブ層）を上部ガイド用マイクロディスク層として約０．２μｍの厚さに成長さ せた。このレーザを製造するために、別の適当な材料システム（例えばＩｎＧａ Ａｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ）を使用することも可能である。 複数ステップのフォトリゾグラフィ技術によって、あるトライアルでは外径が ３μｍの、別のトライアルでは外径が１０μｍの二重 ディスクレーザを製造した。開口１８は、先ずＡＺ−１３５０Ｊのフォトレジス トを用いてパターン化され、反応性イオンエッチング法によってＭＱＷ層をエッ チングすることなく約０．４μｍ程度にエッチングされた。フォトレジストを除 去後、断面周囲が円形のマイクロディスク１０、１２をパターン化し、開口と注 意深く整列させた。次に、反応性イオンエッチングを再び用いて円形パターンを 垂直に底面の台座層にまでエッチングし（約１．２μｍ）、正確なシリンダ形状 （すなわち周囲側壁が実質的にマイクロディスクの軸端に垂直である）と滑らか な周囲側壁とを有するマイクロディスク１０、１２を形成した。この両方の反応 性イオンエッチングステップにおいて、５：１７：８の割合のメタン、水素およ びアルゴンを含む混合ガスを、ガス圧４５ミリトールでかつプラズマビームパワ ーを９０ワットにして、使用した。次に、高度に選択的なＨＣｌエッチング剤（ 例えば１０体積％のＨＣｌ水溶液）を使用し、残りの台座層を垂直に除去し、図 １に示す２個の支持用ＩｎＰ台座または柱状物１４、１６を形成した。エッチン グされたＩｎＰ台座または柱状物は、ＩｎＰ材料の異方性エッチングの結果とし て、走査形電子顕微鏡での検査において斜方６面体形状を示した。 二重ディスクレーザの上部マイクロディスク１２は、光をガイドする目的のた めに、（層成長中において）異なるエピタキシャルレベルの基本的に不動の、吸 収しない材料を含んでいる。下部ＭＱＷマイクロディスク１０において生成され たフォトンは、ＩｎＰ台座または柱状物１４を通って共鳴導波管カップリング（ フォトンの共鳴トンネリング）によって上部導波管用マイクロディスク１２にゆ っくりと漏出する。ＭＱＷマイクロディスク１０と導波管用マイクロディスク１ ２間のカップリング効率は、マイクロディスク１０、１２間の分離距離、例えば 前述したように３μｍと１０μｍの直径 のマイクロディスクの製造において約０．６５μｍ、を適正に選択することによ って、制御可能である。マイクロディスク１０、１２間の分離距離が増加すると 、カップリング効率は減少する。図２は、マイクロディスク１０、１２間の０． ６５μｍの分離に対して、往復の長さ毎のカップリングパーセンテージ対カップ リング長（これはほぼマイクロディスク構造の円周である）の概算を示す。カッ プリング長は、フォトンがマイクロディスクの円周に沿って伝搬する一周の長さ であり、Ｄをマイクロディスクの直径とすると、ほぼπＤによって与えられる。 図示するように、５〜２０μｍの範囲のマイクロディスクの直径に対して、約０ ．１％〜１％のカップリング効率が概算された。この二重マイクロディスク構造 は、ＭＱＷマイクロディスク共鳴体が高いＱ値と低いレーザしきい値に関してほ ぼ完全なマイクロディスク形状を維持する事を可能とする一方で、光出力カップ リング形状または構造を、レーザから出た光をカップリングするために上部導波 管用マイクロディスク１２上に設けることが可能である。光出力カップリング１ ８を上部導波管用マイクロディスク１２上に設けることによって、下部ＭＱＷマ イクロディスクのＱ値の高さとレーザしきい値の低さは悪影響を受けない。 図１において、光出力カップリングは、光を二重マイクロディスクレーザから 出るように仕向けるために、上部導波管用マイクロディスク１２の周辺を中断す るＶ形状の開口１８を含んでいる。開口１８は、平坦面またはウインドウ１８ａ 、１８ｂを形成し、光はここを通ってカップリングしレーザから出力する。 本発明の二重マイクロディスクレーザ（マイクロディスクの直径１０μｍ）の レーザ特性を、１０６４nmのＮｄ：ＹＡＧポンピングレーザを用いて光学的に励 起する事によって分析した。ポンピングされたレーザを、デューティサイクルを 変化させて音響−光学変調 器によって変調し、マイクロディスク１０の面積と同じかそれよりも大きい全軸 端部をカバーするスポットサイズに集光させた。この二重マイクロディスクレー ザは、液体窒素温度に冷却された。二重マイクロディスクレーザからの発光を、 対物レンズによって収束し光回折格子分光計によって分光し（分解能１nm）、ロ ックイン（ｌｏｃｋ ｉｎ）技術と液体窒素温度に冷却したゲルマニウムの検出 器を用いて検出した。 図３は、レーザしきい値においておよびこれより高い値において二重マイクロ ディスクレーザ（直径１０μｍ）から得られたレーザスペクトルを示す。実線の データラインはしきい値以上のポンピングパワーに関し、点線のデータラインは しきい値におけるポンピングパワーに関する。しきい値は、ピークのポンピング レーザパワーが、ほぼ５００マイクロワットで１マイクロ秒のパルス幅と発熱を 減少させるために１％のデューティ比を持つ場合である。比較の目的で、開口１ ８を持たない二重マイクロディスクレーザ（即ち上部マイクロディスク１２上に 中断点のない円周を有する）を製造し、同じ条件でその発光をテストした。光出 力カップリングのための開口１８を持たない比較のための二重マイクロディスク レーザは、上部導波管用マイクロディスクからの低い光損失の結果として、低い レーザしきい値（約３００マイクロワット）を示した。これは、下部マイクロデ ィスク１０と同じ材料組成で同じ直径を持った単一のマイクロディスクレーザの 典型的なしきい値である。 本発明の、直径が３μｍでかつ上部マイクロディスク１２に開口１８を有する 二重マイクロディスクレーザのレーザしきい値は、ほぼ２５ミリワットであると 決定された。この値は、直径が同じであるが円周上に中断点を持たない単一のマ イクロディスクレーザのしきい値と殆ど同じである。この結果は、開口１８を有 する本発明の 二重マイクロディスクレーザが、レーザしきい値を劣化させることなく高いＱの マイクロキャビティを提供することを示している。 本発明の二重マイクロディスクレーザの上部導波管用マイクロディスク１２の 開口１８からの指向性レーザ出力を、フラット面１８ａ、１８ｂから約１０μｍ 離れた基板を持つ結像チューブを備えた赤外カメラを用いて結像した。開口１８ のレーザ出力像を図４に示す。この図において、レーザ光は、開口１８を脱出し た光からの強いエッジ発光スポットからと同様マイクロディスク１２自身から散 乱し、開口１８から約１０μｍの結像基板に衝突していることが理解される。こ の像は、しきい値の２倍のポンピングパワーにおいて取られたものである。この 像を得るために、ポンピングレーザは、赤外カメラの以前でフィルタによって強 く減衰される必要があった。基板２９とマイクロディスク１２自身間の焦点差の 結果、その像に対してマイクロディスク上の光出力開口を見るために再度焦点合 わせが行なわれ、二重マイクロディスクの上面図は、図４に示すように点線を用 いて再トレースされた。図４は、上部導波管用マイクロディスク１２上の開口１ ８がレーザフォトンの漏洩源を提供しレーザ光が二重マイクロディスクレーザか ら出力するように仕向けていることを、明瞭に示している。像の上の明るいドッ トは、赤外結像チューブ上の焼けついたスポットによるものである。 二重マイクロディスクレーザからの光出力カップリングとしての図１に示す開 口１８に代わって、４５度またはその他の適当な角度を有する回折格子、面また は開口を、本発明のレーザの上部マイクロディスク１２からのレーザ発光に垂直 成分を提供するために、導波管用マイクロディスク１２の上部軸端部上に形成す ることができる。 図５〜７を参照すると、本発明のその他の実施例にかかるマイク ロキャビティ半導体レーザが概略的に示されており、このレーザは、図５〜６に おいてレーザシリンダとして言及される第１の上部マイクロシリンダ（マイクロ 部材）２０と、図５〜６においてガイド用シリンダとして言及されマイクロシリ ンダ２０とは異なる（低い）面またはエピタキシャルレベル（エピタキシャル層 成長中の）に配置されかつ低い光吸収率を有する第２の下部透明導波管用マイク ロディスク（マイクロ部材）２２とを含んでいる。上部レーザ用マイクロシリン ダ２０は下部導波管用マイクロシリンダ２２からある距離離れていて、共鳴フォ トントンネリングによってその間に光学的カップリングを形成する。そのために 、マイクロシリンダ２０、２２は、ＩｎＰを含むシリンダ２４によって間隔をお いて離れている。下部ガイド用マイクロシリンダ２２は、図示する下部ＩｎＰ基 板２９上に支持されている。下部導波管用マイクロシリンダ２２は、レーザから の光出力カップリングとして、直線状の光出力導波管２８をそれに一体にして備 えている。 図５〜７に示す二重マイクロシリンダレーザは、二重マイクロディスクの実施 例に対して前述したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰシステム（あるいは他の適当 な材料システム）の分子ビームエピタキシャル層成長法によって形成され、その 後複数ステップフォトリゾグラフィ技術および選択的イオンエッチング技術によ って、二重マイクロディスクレーザに対して前述したのと同じ方法によって、図 示する二重マイクロシリンダ形状に各層を整形する。例えば、ＭＱＷ層を、３層 のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ量子層または井戸を形成するようにｘおよびｙを選択し て成長させる。この場合各量子層または井戸はそれぞれ約１００オングストロー ムの厚さを有しており、また約１００オングストロームの厚さを有しさらに前述 したようなバリア組成／厚さを有するエンドキャップを備えるＩｎ0.84Ｇａ0.16 Ａｓ0.33Ｐ0.67バリア層によってサンドイッチされている。基板上に下部バッフ ァ層が設けられ、これはほぼ１０００オングストロームの厚さのＩｎＰを含んで いる。一方１μｍの厚さのＩｎＰを含む上部キャップが、ＭＱＷ層上に設けられ る。 二重マイクロシリンダレーザの下部マイクロシリンダ２２は光ガイドの目的の ために、基本的に吸収率が低いパッシブな材料を含んでいる。上部ＭＱＷレーザ マイクロシリンダ２０において発生したフォトンは、共鳴導波管カップリングマ イクロシリンダ２８を介して下部導波管用マイクロシリンダ２２中にゆっくり漏 出する。すでに述べたように、レーザ用マイクロシリンダ２０と導波管用マイク ロシリンダ２２間のカップリング効率は、それらの間の分離間隔を選択すること によって制御することができる。マイクロシリンダ２０、２２間の分離距離が増 加するに従って、カップリング効率は減少する。下部マイクロシリンダ２２と一 体の直線状光出力導波管２８は、下部マイクロ部材２２のそれと同じ順序の材料 層を含んでいる。これは、導波管２８が下部マイクロ部材２２と一体に形成され 、さらにレーザからの光出力カップリングを提供するためである。このレーザは 、光出力信号を基板２９上に存在する光集積回路に供給するため、この回路に適 合しうる、基板２９上のあるレベルにある。 本発明の二重マイクロシリンダレーザは、それらが通常の一般的な半導体レー ザよりも遥に短いキャビティ長を有している点で効果がある。これにより、本発 明の二重マイクロシリンダレーザが直接の注入電流制御によってモードホッピン グを伴うことなく、大きな周波数同調性を持つようになる。通常の一般的な半導 体レーザのキャビティ長は、約１mmの実際の光学パスの場合、０．３mmである。 このように長い光学パスによって、通常の一般的なレーザは能動媒 体の利得カーブ下で約５０のキャビティ共鳴モードを持っている。周波数モード の数が多いために、２個の隣接するモード間の周波数間隔は小さい。周波数間隔 が小さい結果、レーザ周波数の同調性が限定される。対照的に本発明の二重マイ クロシリンダレーザは、キャビティ長が短く利得カーブの下により少ないキャビ ティ共鳴モード（例えば１〜５モード）を含んでいる。共鳴モードがより少ない 事によって、周波数ホッピングを伴わずに直流制御によって大きな周波数同調性 が可能となる。 低損失高Ｑキャビティによって、本発明のマイクロキャビティレーザは、高い キャビティ内強度を持つ。この高いキャビティ内強度は、高い誘導発光率を生じ 、その結果直流変調の下でのそのキャリア密度に対してキャリアの応答時間を速 くする。マイクロキャビティのサイズが小さいことに結合した早いキャリア応答 時間は、変調バンド幅を増加させる結果となるべきである。 図８を参照すると、下部マイクロ部材（マイクロディスクまたはマイクロシリ ンダ）５０と、この下部マイクロ部材５０と同じでかつ前述したのと類似の特性 を有する上部マイクロ部材（図示せず）を含む、本発明の他の実施例が示されて いる。下部マイクロ部材５０は導波管用マイクロ部材であってもよく、一方上部 マイクロ部材（図示せず）はレーザ用マイクロ部材であってもよい。あるいはま た、下部マイクロ部材５０がレーザ用マイクロ部材であり、一方上部マイクロ部 材（図示せず）が導波管用マイクロ部材であるかまたは省略されていてもよい。 下部および上部マイクロ部材は、共鳴フォトントンネリングによってその間に光 学的カップリングを提供するために、前述した方法である距離だけ離れている。 下部マイクロ部材５０は図示し以下に説明するようにＧａＡｓ基板上のＳｉＯ2 層上に配置される。弓状の光出力導波管５２は下部マイクロ部材５ ０の回りに配置される。導波管５２はマイクロ部材５０と一体か、または共鳴フ ォトントンネリングによる光出力カップリングを提供するギャップまたは距離を 形成するために、部材５０から離れている。導波管５２は、典型的な大きさとし て０．２〜２μｍの幅と０．２〜１μｍの高さを有している。典型的に幅が１． ０μｍまでの（例えば幅０．５μｍの）ギャップをこの目的のために使用するこ とができる。光出力導波管５２は弓状の環状部分５２ａを含んでおり、これは下 部マイクロ部材５０の円周周辺から離れてこれを取り囲み、さらに一個以上の直 線状の平行なレッグ５２ｂ（図では２個）に延びており、このレッグは平坦な端 部５２ｃで終息し、端部５２ｃは、光出力信号を光集積回路に供給するために、 ＧａＡｓ基板上の光回路に適合するあるレベルの光出力を供給する。 下部マイクロ部材５０がレーザ用マイクロ部材である場合、導波管５２は、レ ーザ用マイクロ部材と同じ順序の材料層を備え、光学的にポンピングされる。あ るいはまた導波管５２は、量子井戸を有さず光学的ポンピングを生じない上述の 透明ＩｎＧａＡｓＰ導波管材料を含むことも可能である。下部マイクロ部材５０ が導波管用マイクロ部材である場合、導波管５２は、光学的ポンピングを有さな い導波官部材と同じ量子井戸を持たない透明材料を含んでいるであろう。 図９は、図８の下部マイクロディスクまたはマイクロシリンダの代わりに下部 マイクロ環５０’を使用している点を除いて、図８の実施例と類似した本発明の 他の実施例を示す。下部マイクロ環５０’は導波管用マイクロ部材であっても良 く、一方同じ上部マイクロ環（図示せず）はレーザ用マイクロ部材であっても良 い。別の例では、下部マイクロ環５０’がレーザ用マイクロ部材であり、上部マ イクロ環（図示せず）が導波管用マイクロ部材であるか、あるいは 省略されていても良い。マイクロ環は、マイクロディスクおよびマイクロシリン ダについて既に述べたのと同じような外径を有していても良く、典型的なリング または環体幅は０．２〜２μｍであり高さは０．２〜１μｍである。図９におい て、図８と同様の特徴は同様の参照番号によって指定されている。 記載した大きさを有する図８および９に示すレーザは、前述したようにしてＩ ｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰシステム（あるいはその他の適当な材料システム） の分子ビームエピタキシャル層成長法によって形成され、その後これらの層を、 複数ステップフォトリゾグラフィック技術および選択的反応イオンエッチング技 術によって、二重マイクロディスクレーザに対して説明したのと同じような方法 で、図示する二重マイクロシリンダ形状に整形する。マイクロシリンダまたはマ イクロ環５０’の大きさをさらに小さくする場合、例えば高さが０．２μｍで幅 が０．４μｍのリングまたは環状体の場合、電子ビーム（ｅ−ｂｅａｍ）リゾグ ラフィおよび反応イオンエッチング（ＲＩＥ）を含むナノ製造技術を伴った異な る製造プロセスを使用することができる。例えば、ＩｎＰ基板を厚さが０．１９ μｍのエピタキシャルＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓレーザ層構造で被覆するこ とも可能である。この層構造中で、３個の１００オングストローム厚さの量子井 戸層（Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ）を、１００オングストローム厚さのバリア層（Ｉ ｎ0.84Ｇａ0.16Ａｓ0.33Ｐ0.67）によって分離することも可能である。これらの 両側を、２個の７００オングストローム厚さの（Ｉｎ0.84Ｇａ0.16Ａｓ0.33Ｐ0. 67 ）層によってサンドイッチすることも可能である。 ウエファボンディングおよびエッチング技術を使用して、薄いマイクロ環５０ ’を、ＧａＡｓ基板上の低屈折率ＳｉＯ2クラッド上に転写させることが可能で ある。最初、プラズマエンハンスドケミ カルベーパデポジション（ＰＥＣＶＤ）によってウエファ上に厚さが８００オン グストロームのＳｉＯ2を堆積する。ＰＭＭＡ（ポリメチルメチルメタクリレー ト）を被覆したＳｉＯ2層上に電子ビームリゾグラフィを用いてマイクロ環のパ ターンを描く。次に３１ミリトールのＣＨＦ3をエッチングガスとして用いた６ ０ワットのプラズマパワーによるＲＩＥプロセスを用いてマスクされていない領 域をエッチングにより取り去ることによって、上記パターンをＳｉＯ2層上に転 写し、その後ＰＭＭＡを除去する。ＳｉＯ2上のパターンはこのようにして次の ＩｎＧａＡｓＰ層のエッチングに対するマスクを形成する。ＲＩＥプロセスを用 いて、０．１９μｍのＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓエピタキシャル層構造をＩ ｎＰ基板まで垂直にエッチングする。このステップにおいて、メタン、水素およ びアルゴンの混合ガスが、４５ミリトールのガス圧下、１０：３４：１０の比率 でかつプラズマパワー９０ワットのプラズマビームパワーにおいて使用される。 薄いマイクロ環構造を低屈折率材料上に配置するために、基板を次のようにし て除去する。ＲＩＥによってエッチングされたサンプルには、ＰＥＣＶＤを用い て０．７５ミクロン厚さのＳｉＯ2が堆積される。ＰＥＣＶＤによって堆積され た０．７５ミクロン厚さのＳｉＯ2によって被覆されたＧａＡｓ基板の一片が次 に準備される。この２つの基板は、アクリリックを用いてＳｉＯ2を向かい合わ せて張りつけられる。最後に、非常に選択的なＨＣｌエッチング剤（１：１の割 合のＨＣｌプラスＨ3ＰＯ4）を用いてＩｎＰ基板を除去し、ＧａＡｓ基板上の厚 さが１．５μｍのＳｉＯ2上にマイクロ環レーザ構造を残した。 本発明の実施において、フォトルミネッセンススペクトル中に周波数を有する キャビティモードの概算数は、マイクロ部材の直径が ５μｍ以下でかつ量子井戸のスペクトル利得幅の典型的な値が６０nmである場合 、２個未満（単一モード）である。このためには、マイクロキャビティの外径は ２μｍから５μｍの範囲が好ましい。しかしながら本発明はこれに限定されるも のではなく、ウイスパリングギャラリーモードを含むがそれに限定されるもので はない導波管用光学モードを支持する能動的光学媒体を提供するために、３０μ ｍ程度まで、例えば１０〜３０μｍの直径を有する断面が円形の周辺を有する一 個以上の能動的な量子井戸層（ＭＱＷ）を備えるレーザ用マイクロキャビティを 使用して実施することも可能である。本発明はまた記載し図示した特定のマイク ロキャビティ部材に限定されるものではなく、マイクロディスク、マイクロシリ ンダ、マイクロ環（マイクロリング）および導波管用光学モードを支持する能動 的光学媒体を提供するような大きさの他の形状のマイクロ部材を用いて実施する ことが可能である。 本発明は特定の実施例に関して説明されているが、当業者であれば、これらの 実施例は限定よりもむしろ説明の目的のために提供されたものでありかつ本発明 はそれらに限定されるものではなく、むしろ添付の請求の範囲に述べたものに限 定される事を容易に理解しうるであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ザン，ジャン−ピン アメリカ合衆国，イリノイ 60201，エバ ンストン，フォスター ストリート 829, アパートメント 401 (72)発明者 ウー，シェングリ アメリカ合衆国，イリノイ 60201，エバ ンストン，フォスター ストリート 825

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．横断面周囲が実質的に円形のレーザ用マイクロキャビティを有する第１の マイクロ部材と、異なる面上の前記第１のマイクロ部材から離れかつ前記第１の マイクロ部材と光学的にカップリングされた第２の導波管用マイクロ部材とを備 えるレーザであって、前記第２の導波管用マイクロ部材は前記レーザから光出力 を供給するための光出力カップリングを含む、レーザ。 ２．前記第１のマイクロ部材はマイクロディスクを含むものである第１項に記 載のレーザ。 ３．前記導波管用マイクロ部材はマイクロディスクを含むものである第２項に 記載のレーザ。 ４．前記マイクロディスクは、マイクロディスク間に共鳴フォトントンネリン グ光学カップリングを提供するためにその間に低屈折率材料を介してある距離離 れているものである、第３項に記載のレーザ。 ５．前記第１のマイクロ部材はマイクロシリンダを含むものである、第１項に 記載のレーザ。 ６．前記導波管用マイクロ部材はマイクロシリンダを含むものである、第５項 に記載のレーザ。 ７．前記マイクロシリンダは、マイクロシリンダ間に光学的カップリングを提 供するためにその間に低屈折率材料を介してある距離離れているものである、第 ６項に記載のレーザ。 ８．前記第１のマイクロ部材はマイクロ環を含む、第１項に記載のレーザ。 ９．前記導波管用マイクロ部材はマイクロ環を含む、第８項に記載のレーザ。 １０．前記マイクロ環は、その間に光学的カップリングを提供するために低屈 折率材料を介してある距離離れているものである、第９項に記載のレーザ。 １１．前記光出力カップリングは、前記第２の導波管用部材上で該部材の外周 を中断する一表面を含むものである、第１項記載のレーザ。 １２．前記光出力カップリングは、前記導波管用マイクロ部材の一端面上の回 折格子を含むものである、第１項記載のレーザ。 １３．前記光出力カップリングは、前記第２の導波管用マイクロ部材と一体の 直線状出力導波管を含むものである、第１項記載のレーザ。 １４．前記光出力カップリングは、前記導波管用マイクロ部材の一部分を取り 囲む弓状の出力導波管を含む、第１項記載のレーザ。 １５．前記弓状出力導波管は、前記第２のマイクロ部材の前記部分を取り囲む 環状部分と少なくとも一個の一端で終息する直線部分を含むものである、第１４ 項記載のレーザ。 １６．前記第１のマイクロ部材と第２の導波管用マイクロ部材は、その間に所 定のカップリング効率を形成するように選択された距離だけ離れているものであ る、第１項に記載のレーザ。 １７．前記第１のマイクロ部材はＩｎＧａＰ半導体を含むものである、第１項 に記載のレーザ。 １８．前記第２の導波管用マイクロ部材は、ＩｎＧａＡｓＰ半導体を含むもの である、第１７項に記載のレーザ。 １９．前記光学カップリングはＩｎＰを含むものである、第１７項に記載のレ ーザ。 ２０．基板と、前記基板と上方に離れかつ断面周囲が円形のレーザ用マイクロ キャビティを有する第１のマイクロディスクと、およ び前記第１のマイクロディスクの上方に離れかつこれに光学的にカップリングし た第２の導波管用マイクロディスクとを備えたレーザであって、前記第２の導波 管用マイクロディスクは前記レーザから光出力を形成するための光出力カップリ ングを有する、レーザ。 ２１．基板と、断面周囲が円形のレーザマイクロキャビティを有する第１のマ イクロシリンダと、および前記基板と前記第１のマイクロシリンダ間に離れて配 置されかつそれに光学的にカップリングされた第２の導波管用マイクロシリンダ とを備えるレーザであって、前記第２の導波管用マイクロシリンダは前記レーザ から光出力を形成するための光出力カップリングを有する、レーザ。 ２２．前記光出力カップリングは、光出力信号を光集積回路に提供するために 前記基板上に存在する光回路に適合する前記基板上の一レベルにある導波管を含 んでいるものである、第２１項に記載のレーザ。 ２３．断面周囲が円形の導波管用またはレーザ用のマイクロ部材と、前記マイ クロ部材から光出力を形成するために前記導波管用マイクロ部材の一部分を取り 囲む弓状の光出力導波管とを備えるレーザ。 ２４．前記弓状光出力導波管は、前記マイクロ部材の前記部分を取り囲む環状 部分と一端で終息する少なくとも一個の直線状部分とを備えるものである、第２ ３項に記載のレーザ。 ２５．前記光出力導波管は、光集積回路に光出力信号を提供するために前記基 板上に存在する光回路に適合する前記基板上の一レベルにあるものである、第２ ３項記載のレーザ。
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