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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023157877
(43)【公開日】2023-10-26
(54)【発明の名称】半導体レーザ素子
(51)【国際特許分類】
H01S 5/12 20210101AFI20231019BHJP
H01S 5/22 20060101ALI20231019BHJP
【ＦＩ】
H01S5/12
H01S5/22 610
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023065427
(22)【出願日】2023-04-13
(31)【優先権主張番号】17/721,073
(32)【優先日】2022-04-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】504127647
【氏名又は名称】テクニオン リサーチ アンド ディベロップメント ファウンデーション リミテッド
(71)【出願人】
【識別番号】000226057
【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100135079
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 修
(72)【発明者】
【氏名】モルデカイ セゲヴ
(72)【発明者】
【氏名】ガル ハラリ
(72)【発明者】
【氏名】土肥 慎爾
(72)【発明者】
【氏名】大前 邦途
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 巧
【テーマコード（参考）】
5F173
【Ｆターム（参考）】
5F173AA26
5F173AB13
5F173AB25
5F173AB49
5F173AH22
5F173AR04
(57)【要約】
【課題】高輝度および高出力単一モードのレーザ発振が実現される半導体レーザ素子の提供。
【解決手段】半導体レーザ素子は、第１のリング共振器を有する。第１のリング共振器は、第１のｎ－側半導体層、第１のｐ－側半導体層、および第１のｎ－側半導体層と第１のｐ－側半導体層の間に配置された第１の活性層を有する、第１の半導体スタックを有し、第１のリング共振器は、回折格子を有する。当該半導体レーザ素子は、さらに、エバネッセント場結合により、第１のリング共振器に光学的に結合された第２のリング共振器を有する。第２のリング共振器は、第２のｎ－側半導体層、第２のｐ－側半導体層、および第２のｎ－側半導体層と第２のｐ－側半導体層の間に配置された第２の活性層を有する、第２の半導体スタックを有し、第２のリング共振器により放射される光のピーク波長は、第１のリング共振器により放射される光のピーク波長と同じである。
【選択図】図２Ａ
【解決手段】半導体レーザ素子は、第１のリング共振器を有する。第１のリング共振器は、第１のｎ－側半導体層、第１のｐ－側半導体層、および第１のｎ－側半導体層と第１のｐ－側半導体層の間に配置された第１の活性層を有する、第１の半導体スタックを有し、第１のリング共振器は、回折格子を有する。当該半導体レーザ素子は、さらに、エバネッセント場結合により、第１のリング共振器に光学的に結合された第２のリング共振器を有する。第２のリング共振器は、第２のｎ－側半導体層、第２のｐ－側半導体層、および第２のｎ－側半導体層と第２のｐ－側半導体層の間に配置された第２の活性層を有する、第２の半導体スタックを有し、第２のリング共振器により放射される光のピーク波長は、第１のリング共振器により放射される光のピーク波長と同じである。
【選択図】図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体レーザ素子であって、
第１のｎ－側半導体層、第１のｐ－側半導体層、および前記第１のｎ－側半導体層と前記第１のｐ－側半導体層の間に配置された第１の活性層を有する、第１の半導体スタックを有し、
回折格子を有する、
第１のリング共振器と、
第２のｎ－側半導体層、第２のｐ－側半導体層、および前記第２のｎ－側半導体層と前記第２のｐ－側半導体層の間に配置された第２の活性層を有する、第２の半導体スタックを有する、
エバネッセント場結合により、前記第１のリング共振器に光学的に結合された第２のリング共振器と、
を有し、
前記第２のリング共振器により放射される光のピーク波長は、前記第１のリング共振器により放射される光のピーク波長と同じである、半導体レーザ素子。
第１のｎ－側半導体層、第１のｐ－側半導体層、および前記第１のｎ－側半導体層と前記第１のｐ－側半導体層の間に配置された第１の活性層を有する、第１の半導体スタックを有し、
回折格子を有する、
第１のリング共振器と、
第２のｎ－側半導体層、第２のｐ－側半導体層、および前記第２のｎ－側半導体層と前記第２のｐ－側半導体層の間に配置された第２の活性層を有する、第２の半導体スタックを有する、
エバネッセント場結合により、前記第１のリング共振器に光学的に結合された第２のリング共振器と、
を有し、
前記第２のリング共振器により放射される光のピーク波長は、前記第１のリング共振器により放射される光のピーク波長と同じである、半導体レーザ素子。
【請求項2】
前記第１の活性層および前記第２の活性層は、同じ材料で構成される、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項3】
前記第１の活性層の上側表面および前記第２の活性層の上側表面は、同一平面上にある、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項4】
前記回折格子は、前記第１のリング共振器の内側側表面および前記第１のリング共振器の外側側表面の少なくとも一方に配置される、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項5】
前記回折格子は、前記第１のリング共振器の上側表面に配置される、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項6】
前記回折格子は、前記第１のリング共振器に埋設される、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項7】
前記第１のリング共振器は、１または２以上の直線部と、１または２以上の曲線部とを有し、
前記第１のリング共振器と前記第２のリング共振器の間の距離は、前記１または２以上の直線部の一つで最小となる、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
前記第１のリング共振器と前記第２のリング共振器の間の距離は、前記１または２以上の直線部の一つで最小となる、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項8】
前記距離は、１０ｎｍから４００ｎｍの範囲である、請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項9】
前記回折格子は、（ｉ）前記１または２以上の直線部、または（ｉｉ）前記１または２以上の曲線部の一方のみに配置される、請求項７または８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項10】
前記第１のリング共振器は、丁度４つの直線部と丁度４つの曲線部とを有し、
前記回折格子は、前記４つの直線部の全てに配置される、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
前記回折格子は、前記４つの直線部の全てに配置される、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項11】
前記第１のリング共振器は、丁度４つの直線部と丁度４つの曲線部とを有し、
前記回折格子は、前記４つの曲線部の全てに配置される、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
前記回折格子は、前記４つの曲線部の全てに配置される、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項12】
前記回折格子は、前記第１のリング共振器の内側側表面の全体、または前記第１のリング共振器の外側側表面の全体に配置される、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項13】
前記第１のリング共振器は環状であり、３μｍから５０００μｍの範囲の半径を有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項14】
前記第１の半導体スタックと前記第２の半導体スタックの各々は、第ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料または第ＩＩ－ＶＩ族半導体材料で構成される、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項15】
前記第１のリング共振器および前記第２のリング共振器は、窒化物半導体材料で構成された半導体スタックを有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項16】
さらに出力導波路を有し、
前記出力導波路および前記第２のリング共振器は、光学的に結合される、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
前記出力導波路および前記第２のリング共振器は、光学的に結合される、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項17】
前記出力導波路の第３の活性層の上側表面は、前記第２の活性層の上側表面と同一平面上にある、請求項１６に記載の半導体レーザ素子。
【請求項18】
前記第３の活性層および前記第２の活性層は、同じ材料で構成される、請求項１７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項19】
半導体レーザ素子を製造する方法であって、
ｎ－側半導体層、
ｐ－側半導体層、および
前記ｎ－側半導体層と前記ｐ－側半導体層の間に配置された活性層、
を有する、半導体スタックを形成することと、
第１のリング状部分および第２のリング状部分を有し、前記第１のリング状部分の内側側表面または外側側表面には周期構造が配置されるマスクを、前記半導体スタック上に形成することと、
前記半導体スタックをドライエッチングして、前記第１のリング状部分に対応する第１のリング共振器、および前記第２のリング状部分に対応する第２のリング共振器を形成することと、
を有し、
前記第１のリング共振器は、前記周期構造に対応する回折格子を有し、
前記ドライエッチングは、０．１Ｐａから５Ｐａの範囲の圧力で実施される、半導体レーザ素子を製造する方法。
ｎ－側半導体層、
ｐ－側半導体層、および
前記ｎ－側半導体層と前記ｐ－側半導体層の間に配置された活性層、
を有する、半導体スタックを形成することと、
第１のリング状部分および第２のリング状部分を有し、前記第１のリング状部分の内側側表面または外側側表面には周期構造が配置されるマスクを、前記半導体スタック上に形成することと、
前記半導体スタックをドライエッチングして、前記第１のリング状部分に対応する第１のリング共振器、および前記第２のリング状部分に対応する第２のリング共振器を形成することと、
を有し、
前記第１のリング共振器は、前記周期構造に対応する回折格子を有し、
前記ドライエッチングは、０．１Ｐａから５Ｐａの範囲の圧力で実施される、半導体レーザ素子を製造する方法。
【請求項20】
前記ドライエッチングは、ＣＨＦ３／Ｏ２ガスおよびＣｌ２／ＳｉＣｌ４ガスを用いて反応性イオンエッチングすることである、請求項１９に記載の半導体レーザ素子を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、全般に半導体レーザ素子に関し、特に、光学的に結合されたリング共振器を有する半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【0002】
光リング共振器（または「リングレーザ」）は、リング状導波路で形成され、その中を光が循環してレーザ発振が生じる。回折格子が導波路に一体化された光リング共振器は、分布帰還型（ＤＦＢ）リング共振器（または「ＤＦＢリングレーザ」）として知られている。ＤＦＢリング共振器は、単一モードのレーザ発振を含み、該単一モードは、回折格子のピッチと整合する。
【0003】
最近提案され実証されたトポロジカル絶縁体レーザは、単一のコヒーレントな高出力レーザ源として一緒に機能する多くのダイオードレーザのロバストなアレイが可能となるため、現在注目を集めている。そのようなレーザは、２次元リングレーザアレイで構成され、アレイの周囲に局在化されたレーザ発振モードを有する。その結果、レーザ発振モードは、製造上の不完全性により引き起こされる欠陥や障害に対してロバストとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許第２０１５／０３８０９００号明細書
【特許文献2】特開２００９－１７０４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
単一のコヒーレントな高出力レーザ源を構築するには、予め設計された方法で、構成レーザ発振素子が相互に結合される必要があり、できれば各共振器は、シングルキャビティモードでレーザ発振される必要がある。これらの要求は、現在のＧａＮレーザで認められるように、短波長で強く閉じこめられた高マルチモードキャビティにおいて達成することは難しい。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本願に記載のある実施形態では、高輝度および高出力単一モードのレーザ発振が実現される半導体レーザ素子が提供でき、これは、高出力レーザオンチップ集積フォトニックシステムなどのレーザ発振アレイで使用され得る。
【0007】
ある実施形態では、半導体レーザ素子は、第１のリング共振器を有する。第１のリング共振器は、第１のｎ－側半導体層、第１のｐ－側半導体層、および第１のｎ－側半導体層と第１のｐ－側半導体層の間に配置された第１の活性層を含む、第１の半導体スタックを有し、第１のリング共振器は、回折格子を有する。半導体レーザ素子は、さらに、エバネッセント場結合により、第１のリング共振器に光学的に結合された第２のリング共振器を有する。第２のリング共振器は、第２のｎ－側半導体層、第２のｐ－側半導体層、および第２のｎ－側半導体層と第２のｐ－側半導体層の間に配置された第２の活性層を含む、第２の半導体スタックを有し、第２のリング共振器から放射される光のピーク波長は、第１のリング共振器から放射される光のピーク波長と等しい。
【0008】
別の実施形態では、半導体レーザ素子を製造する方法は、半導体スタックを形成するステップを有し、この半導体スタックは、ｎ－側半導体層、ｐ－側半導体層、およびｎ－側半導体層とｐ－側半導体層の間に配置された活性層を有する。本方法は、さらに、半導体スタック上にマスクを形成するステップを有し、マスクは、第１のリング状部分および第２のリング状部分を有し、第１のリング状部分の内側側表面または外側側表面には、周期構造が配置される。本方法は、さらに、半導体スタックをドライエッチングして、第１のリング状部分に対応する第１のリング共振器と、第２のリング状部分に対応する第２のリング共振器とを形成するステップを有し、第１のリング共振器は、周期構造に対応する回折格子を有し、ドライエッチングするステップは、０．１Ｐａから５．０Ｐａの範囲の圧力で実施される。
【0009】
この概要は、単なる説明用であり、いかなる方法で限定することも意図するものではない。
【0010】
本開示は、添付図面と併せて考慮される以下の詳細な説明から、より完全に理解される。図面において、同様の参照符号は、同様の素子を表す。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1A】一例の実施形態による一様なリング共振器である。
【図1C】一例の実施形態によるＤＦＢリング共振器である。
【図2A】一例の実施形態による半導体レーザ素子の上面図である。
【図3B】一例の実施形態によるＤＦＢ導波路上の回折格子の拡大図である。
【図4A】一例の実施形態によるリング共振器の別の実施形態である。
【図4B】一例の実施形態によるリング共振器の別の実施形態である。
【図5A】一例の実施形態によるＤＦＢリング共振器のスペクトルグラフである。
【図5B】一例の実施形態による半導体レーザ素子のスペクトルグラフである。
【図6】一例の実施形態による半導体レーザ素子を形成する方法のフロー図である。
【図8】一例の実施形態による半導体スタックの側面図である。
【図9A】一例の実施形態による異なる圧力下で形成された回折格子の拡大図である。
【図9B】一例の実施形態による異なる圧力下で形成された回折格子の拡大図である。
【図10】一例の実施形態による半導体レーザ素子の上面図である。
【図12A】一例の実施形態による半導体レーザ素子の実験結果のレーザ発振モードのグラフである。
【図12B】一例の実施形態による半導体レーザ素子の実験結果のレーザ発振モードのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
ある一例の実施形態が詳細に記載されている図面に移る前に、本開示は、説明に記載されまたは図面に示された、細部または方法に限定されないことを理解する必要がある。また、本願で使用される用語は、説明することのみを目的とし、限定するものと見なしてはならないことを理解する必要がある。特定の実施形態および適用の例は、主として、説明の目的で提供される。
【0013】
本願における実施形態は、レーザシステムにおいて、単一モードのレーザ発振（例えば、レーザ発振スペクトルの単一ピーク）を生成するように構成された半導体レーザ素子に関するシステム、方法、および装置に関する。半導体レーザ素子は、結合されたリング共振器を有する。各リング共振器は、少なくともｎ－側半導体層、ｐ－側半導体層、およびｎ－側半導体層とｐ－側半導体層の間に配置された活性層を含む、半導体スタックを有する。２つのリング共振器の一方は、設定された波長の単一モードのレーザ発振を生成する回折格子を有する。他方のリング共振器（例えば、回折格子を有しないリング共振器）は、設定された波長を有する光を増幅する。２つのリング共振器は、エバネッセント場結合を介して光学的に結合される。
【0014】
本願において使用される「ｐ－側／ｐ－型」という用語は、複数の電子正孔を含む正の側を表し、「ｎ－側／ｎ－型」という用語は、電気的に中性な原子の外殻に過剰の電子を含む負の側を表す。
【0015】
本願に使用される「導波路」、「光導波路」等の用語は、電磁波（例えば光など）のような波を誘導する構造を表し、電磁波の方向を制限することにより、エネルギーの損失が最小限に抑制される。導波路の形状は、導波路の機能および導波路に形成される波のモードを変化させる。
【0016】
本願に使用される「リング共振器」、「光リング共振器」等の用語は、閉ループで構成された導波路を表す。リング共振器は、全内部反射および強め合う干渉の原理に基づいて作動し、共振波長の光が生成される。リング共振器は、フィルタとして機能し、ある波長のみがループ内で共振できる。リング共振器の形状は、ループ内で共振し得る波長に影響を与える。
【0017】
（リング共振器）
全般に図１Ａ乃至図１Ｄを参照すると、リング共振器に対する回折格子の効果が示されている。図１Ａ乃至図１Ｄに見られるように、ＤＦＢリング共振器（例えば、回折格子を含むリング共振器）は、一様な（uniform）リング共振器により形成されたモードをフィルタ化し、縦モードにおける単一モードのレーザ発振を引き起こす。
全般に図１Ａ乃至図１Ｄを参照すると、リング共振器に対する回折格子の効果が示されている。図１Ａ乃至図１Ｄに見られるように、ＤＦＢリング共振器（例えば、回折格子を含むリング共振器）は、一様な（uniform）リング共振器により形成されたモードをフィルタ化し、縦モードにおける単一モードのレーザ発振を引き起こす。
【0018】
ここで図１Ａを参照すると、一例の実施形態による一様なリング共振器１００が示されている。一様なリング共振器１００は、光を増幅して放射する。一様なリング共振器１００は、半径Ｒ１を有する環状リング共振器である。半径Ｒ１は、一様なリング共振器１００の外表面で測定された、一様なリング共振器１００の半径として定義される。いくつかの実施形態では、半径Ｒ１は、３μｍから５０００μｍの範囲であってもよい。一様なリング共振器１００は、一様な導波路１０２で形成される。一様な導波路１０２は、実質的に一様な（例えば、一定、不変等の）横方向厚さＴ１を有する導波路であり、Ｔ１は、一様な導波路１０２の内表面と外表面の間の距離により定められる。いくつかの実施形態では、横方向厚さＴ１は、０．３μｍから１０μｍ、好ましくは０．４μｍから２．０μｍの範囲である。いくつかの実施形態では、横方向厚さＴ１は、４８０ナノメートル（ｎｍ）である。半径Ｒ１および横方向厚さＴ１は、一様なリング共振器１００の特定の用途用に設定されてもよい。
【0019】
ここで図１Ｂを参照すると、図１Ａの一様なリング共振器１００のような、一様なリング共振器のスペクトルグラフが示されている。スペクトルグラフには、一様なリング共振器１００により形成される光の波長の正規化された強度を示す。スペクトルグラフは、複数のピーク１１０を有し、従って、一様なリング共振器１００は、マルチモードの光を形成することが示されている。複数のピーク１１０の各ピークは、一様なリング共振器１００により放射される光の異なる波長に対応する。単一モードのレーザ発振が望まれ得る用途では、一様なリング共振器１００により生成されるマルチモードのレーザ発振は、望ましくない場合がある。
【0020】
ここで図１Ｃを参照すると、一例の実施形態によるＤＦＢリング共振器１２０が示されている。一様なリング共振器と同様、ＤＦＢリング共振器１２０は、半径Ｒ２を定める環状リング共振器である。半径Ｒ２は、ＤＦＢリング共振器１２０の外表面で測定されたＤＦＢリング共振器１２０の半径として定められる。ＤＦＢリング共振器１２０は、一様なリング共振器１００と同様、光を増幅して放射する。ただし、ＤＦＢリング共振器１２０は、ＤＦＢ導波路１２２で形成される。ＤＦＢ導波路１２２は、回折格子を含む導波路である。回折格子は、導波路の側表面（例えば、内側側表面および／または外側側表面）に配置されても、上表面に配置されてもよく、あるいは導波路内に埋設されてもよい。回折格子は、単一の意図された波長を放射させ、従って単一モードのレーザ発振を誘導する。ＤＦＢ導波路１２２の半径Ｒ２および回折格子は、ＤＦＢリング共振器１２０の特定の用途用に設定されてもよい。回折格子のピッチは、ＤＦＢリング共振器１２０により放射される光の波長を決定する。ＤＦＢ導波路１２２は、回折格子を有するため、ＤＦＢ導波路１２２の横方向厚さは、変化してもよい。ただし、ＤＦＢ導波路１２２は、最大横方向厚さＴ２を有し、これは、ＤＦＢ導波路１２２の内表面と外表面におけるピーク間の距離により定められる。最大横方向厚さＴ２は、ＤＦＢリング共振器１２０の特定の用途用に設定されてもよい。
【0021】
ここで図１Ｄを参照すると、図１ＣのＤＦＢリング共振器１２０のようなＤＦＢリング共振器のスペクトルグラフが示されている。スペクトルグラフには、ＤＦＢリング共振器１２０により放射される光の波長の正規化された強度を示す。スペクトルグラフには、単一の波長ピーク１３０のみが含まれ、これはＤＦＢリング共振器１２０により放射される光の単一ピークに対応するため、ＤＦＢリング共振器１２０は、単一モードの光を生じさせる。
【0022】
（半導体レーザ素子の一例の実施形態）
ここで図２Ａを参照すると、一実施形態による半導体レーザ素子２００の上面図が示されている。半導体レーザ素子２００は、光学的に結合されたリング共振器を有し、該リング共振器は、単一モードのレーザ発振を形成、増幅し、主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）として機能する。半導体レーザ素子２００は、第１のリング共振器２０２と、エバネッセント場結合により第１のリング共振器２０２に光学的に結合された第２のリング共振器２０４と、を有する。半導体レーザ素子２００は、さらに、第２のリング共振器２０４に光学的に結合された出力導波路２０６を有する。
ここで図２Ａを参照すると、一実施形態による半導体レーザ素子２００の上面図が示されている。半導体レーザ素子２００は、光学的に結合されたリング共振器を有し、該リング共振器は、単一モードのレーザ発振を形成、増幅し、主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）として機能する。半導体レーザ素子２００は、第１のリング共振器２０２と、エバネッセント場結合により第１のリング共振器２０２に光学的に結合された第２のリング共振器２０４と、を有する。半導体レーザ素子２００は、さらに、第２のリング共振器２０４に光学的に結合された出力導波路２０６を有する。
【0023】
図２Ｂは、図２Ａの半導体レーザ素子２００の線ＩＩＢ－ＩＩＢに沿った側断面図である。第１のリング共振器２０２は、第１の半導体スタック２２０を有し、該第１の半導体スタックは、第１のｎ－側半導体層２２２、第１のｐ－側半導体層２２４、および第１のｎ－側半導体層２２２とｐ－側半導体層２２４の間の第１の活性層２２６を有する。第２のリング共振器２０４は、第２の半導体スタック２３０を有し、該第２の半導体スタックは、第２のｎ－側半導体層２３２、第２のｐ－側半導体層２３４、および第２のｎ－側半導体層２３２と第２のｐ－側半導体層２３４の間の第２の活性層３２６を有する。出力導波路２０６は、第３の半導体スタック２４０を有し、該第３の半導体スタックは、第３のｎ－側半導体層２４２、第３のｐ－側半導体層２４４、および第３のｎ－側半導体層２４２と第３のｐ－側半導体層２４４の間の第３の活性層２４６を有する。
【0024】
いくつかの実施形態では、第１のリング共振器２０２は、ｎ－側半導体層により、第２のリング共振器２０４に接続される。換言すれば、第１のｎ－側半導体層２２２の一部と第２のｎ－側半導体層２３２の一部が、連続的に接続されてもよい。同様に、第２のリング共振器２０４は、ｎ－側半導体層により、出力導波路２０６に接続されてもよい。換言すれば、第２のｎ－側半導体層２３２の一部と第３のｎ－側半導体層２４２の一部が、連続的に接続されてもよい。いくつかの実施形態では、基板２５０により図２Ｂに示されているように、第１のリング共振器２０２、第２のリング共振器２０４、および出力導波路２０６は、同じ基板上にモノリシックに集積されてもよい。
【0025】
本願に使用される「第１のｎ－側半導体層」、「第２のｎ－側半導体層」、「第３のｎ－側半導体層」という用語は、単に「ｎ－側半導体層」とも称される。本願に使用される「第１のｐ－側半導体層」、「第２のｐ－側半導体層」、「第３のｐ－側半導体層」という用語は、単に「ｐ－側半導体層」とも称される。本願に使用される「第１の活性層」、「第２の活性層」、「第３の活性層」という用語は、単に「活性層」とも称される。
【0026】
さらに図２Ｂを参照すると、第１の活性層２２６の上側表面と第２の活性層２３６の上側表面は、同一平面上にある。従って、第１のリング共振器２０２を第２のリング共振器２０４に強く光学的に結合させることができる。出力導波路２０６の第３の活性層２４６の上側表面は、第２のリング共振器２０４の第２の活性層２３６の上側表面と同一平面上にある。従って、出力導波路２０６を第２のリング共振器２０４に強く光学的に結合させることができる。各半導体スタックは、例えば第ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体または第ＩＩ－ＶＩ族化合物半導体で構成されてもよい。第ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で構成される各半導体スタックは、例えばＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮのような、窒化物系半導体で構成されてもよい。いくつかの実施形態では、第１のリング共振器２０２の半導体スタック２２０と第２のリング共振器２０４の半導体スタック２３０は、同じ材料で構成される。いくつかの実施形態では、出力導波路２０６の半導体スタック２４０と第２のリング共振器２０４の半導体スタック２３０は、同じ材料で構成される。いくつかの実施形態では、第１のリング共振器２０２、第２のリング共振器２０４、および出力導波路２０６の半導体スタックは、同じ材料で構成される。いくつかの実施形態では、第１のリング共振器２０２の活性層２２６と第２のリング共振器２０４の活性層２３６は、同じ材料で構成される。いくつかの実施形態では、第２のリング共振器２０４の活性層２３６と出力導波路２０６の活性層２４６は、同じ材料で形成される。特に、いくつかの実施形態では、第１のリング共振器２０２、第２のリング共振器２０４、および出力導波路２０６の活性層は、同じ材料で構成される。
【0027】
いくつかの実施形態では、第１のリング共振器２０２および第２のリング共振器２０４の両方には、希土類元素がドープされない。希土類元素には、例えば、エルビウム（Ｅｒ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、およびネオジム（Ｎｄ）などが含まれる。第２のリング共振器２０４により放射される光のピーク波長は、第１のリング共振器２０２により放射される光のピーク波長と等しくできる。ＭＯＰＡとして作動する場合、半導体レーザ素子２００は、単一モードの光のような高品質な光を増幅することができ、半導体レーザ素子２００から出力される光の波長は、回折格子のピッチを変えることにより、変化させることができる。
【0028】
第１のリング共振器２０２は、１または２以上の直線部２０８と、１または２以上の曲線部２１０とを有する。図２Ａに示すように、第１のリング共振器２０２は、直線部２０８と曲線部２１０が交互に形成された矩形状のリング共振器である。本出願において、「矩形」という用語は、丸くされたコーナー部を含む形状を含む。第１のリング共振器２０２は、４つの直線部２０８と４つの曲線部２１０とを含む。直線部２０８は、実質的に直線状（例えば、直線に沿った形状）であり、直線部２０８の一端から直線部２０８の他端までで測定される長さＬ１を定める。いくつかの実施形態では、直線部２０８の長さＬ１は、０．０１μｍから２０μｍ、好ましくは５μｍから１５μｍの範囲である。直線部２０８は、回折格子を有しない一様な導波路２１２で形成される。直線部２０８は、横方向厚さを有し、この寸法は、図１Ａに関して示した横方向厚さＴ１と同じであってもよい。曲線部２１０は、直線部２０８同士の間に配置され、直線部と結合される。曲線部２１０は、回折格子を含むＤＦＢ導波路２１４で形成される。ＤＦＢリング共振器１２０と同様、第１のリング共振器２０２のＤＦＢ導波路２１４では、第１のリング共振器２０２は、単一モードのレーザ発振を生じさせることができる。曲線部２１０は、最大横方向厚さを有し、この寸法は、図１Ｃに関して説明した横方向厚さＴ２と同じであってもよい。
【0029】
いくつかの実施形態では、第１のリング共振器２０２は、丁度４つの直線部２０８と、丁度４つの曲線部２１０とを含む。回折格子は、（ｉ）４つの直線部２０８の全て、または（ｉｉ）４つの曲線部２１０の全て、のいずれか一方のみに配置されてもよい。回折格子は、単一モードのレーザ発振を誘導することができ、この場合、単一モードは、回折格子ピッチと整合する。
【0030】
第２のリング共振器２０４は、矩形リング共振器であり、第１のリング共振器２０２と実質的に同じ概略形状を有する。いくつかの実施形態では、第１のリング共振器２０２の形状と第２のリング共振器２０４の形状は、異なっている。しかしながら、第１のリング共振器２０２の形状と第２のリング共振器２０４の形状は、実質的に同じであることが望ましい。第２のリング共振器２０４は、４つの直線部２０８および４つの曲線部２１０を含む。第２のリング共振器２０４の全体は、一様な導波路２１２で形成され、回折格子は含まれない。第２のリング共振器２０４の一様な導波路２１２の横方向厚さは、第１のリング共振器２０２の一様な導波路２１２の横方向厚さＴ１と同じであってもよい。
【0031】
第２のリング共振器２０４は、第１のリング共振器２０２により放射される単一モードの光を増幅してもよい。半導体レーザ素子２００は、ＭＯＰＡとして作動するため、第２のリング共振器２０４により放射される光のピーク波長は、第１のリング共振器２０２により放射される光のピーク波長と同じである。ＭＯＰＡとして作動する際、半導体レーザ素子２００が単一モードのレーザ発振を誘起した場合、第１のリング共振器２０２および第２のリング共振器２０４により放射される光の波長は、同じになる。半導体レーザ素子２００から生じた光は、第１のリング共振器２０２または第２のリング共振器２０４に導入されたグレーティングカプラにより、あるいは出力導波路２０６により、取り出すことができる。ＭＯＰＡでは、第１のリング共振器２０２は、主発振器と見なされ、第２のリング共振器２０４は、出力増幅器と見なされ得る。あるいは、第２のリング共振器２０４が主発振器と見なされ、第１のリング共振器２０２が出力増幅器と見なされてもよい。増幅が可能となるのは、第２のリング共振器２０４および第１のリング共振器２０２が、結合領域２１６で光学的に結合されるためである。結合領域２１６は、第１のリング共振器２０２および第２のリング共振器２０４の直線部２０８に対応する。第１のリング共振器２０２と第２のリング共振器２０４の直線部２０８同士は、実質的に平行であってもよい。第１のリング共振器２０２と第２のリング共振器２０４の間の距離は、直線部２０８のいずれかにおいて最小となってもよい。第１のリング共振器２０２と第２のリング共振器２０４の間の距離は、直線部２０８のいずれかにおいて一定に維持されてもよい。これにより、第１のリング共振器２０２を第２のリング共振器２０４に安定に光学的に結合させることができる。第１のリング共振器２０２および第２のリング共振器２０４は、第１のリング共振器２０２と第２のリング共振器２０４がエバネッセント場結合により光学的に結合されるような距離に配置される。従って、第１のリング共振器２０２により生じた単一モードの光が第２のリング共振器２０４に出力され、第２のリング共振器は、単一モードの光を増幅する。第１のリング共振器２０２と第２のリング共振器２０４の間の距離は、第１のリング共振器２０２が放射する光の波長の長さ以下である。距離は、１０ｎｍから４００ｎｍの範囲であってもよく、１０ｎｍから１００ｎｍの範囲であることが好ましい。これにより、第１のリング共振器２０２を第２のリング共振器２０４に強く光学的に結合させることができる。いくつかの実施形態では、距離は３０ｎｍである。第２のリング共振器２０４からの光は、第１のリング共振器２０２に戻ってもよい。ただし、第２のリング共振器２０４と第１のリング共振器２０２は、同じ周波数で振動するため、システムは安定性を維持する。
【0032】
出力導波路２０６は、エバネッセント場結合により、第２のリング共振器２０４に光学的に結合される。従って、出力導波路２０６は、第２のリング共振器２０４により増幅された、単一モードの光を受光することができる。出力導波路２０６は、回折格子を有しない一様な導波路２１２で形成される。出力導波路２０６は、直線状であってもよく、あるいは光を対象位置に向けて誘導するための曲線（例えば、曲がり部）を含んでもよい。出力導波路２０６は、結合領域２１６において、第２のリング共振器２０４に光学的に結合される。結合領域２１６は、第２のリング共振器の直線部２０８に対応する。出力導波路２０６は、第２のリング共振器２０４からの増幅された単一モードの光を対象位置に向かって誘導する。いくつかの実施形態では、出力導波路２０６の活性層の上側表面は、第２のリング共振器２０４の活性層の上側表面と同一平面上にある。従って、出力導波路２０６は、エバネッセント場結合により、第２のリング共振器２０４と強く光学的に結合される。
【0033】
いくつかの実施形態では、半導体レーザ素子２００は、第１のリング共振器２０２と、出力導波路２０６を有しない第２のリング共振器２０４とを有する。いくつかの実施形態では、半導体レーザ素子２００は、追加のリング共振器を有する。追加のリング共振器は、回折格子を含んでも含まなくてもよい。例えば、半導体レーザ素子２００は、特定の規則で配列された２次元リングアレイである、トポロジカル絶縁体レーザに含まれてもよい。アレイの周囲の少なくとも１つのリングを第１のリング共振器２０２とすることにより、トポロジカルなレーザ発振モードを第１のリング共振器２０２の波長にロックすることができる。
【0034】
全般に図３Ａ乃至図３Ｅを参照すると、一例の実施形態によるＤＦＢ導波路上の各種回折格子の様々な図面が示されている。回折格子は、単一モードのレーザ発振を生じさせるＤＦＢ導波路の一部である。回折格子の幅、高さ等は、導波路が放射するように設定された波長用に、特別に設定されてもよい。
【0035】
図３Ａは、図２Ａの第１のリング共振器２０２の曲線部２１０に対応するＤＦＢ導波路３００の上面図である。図３Ｂは、図２Ａの第１のリング共振器２０２の曲線部２１０に対応するＤＦＢ導波路３００上の回折格子３０２の拡大図である。図３Ｂには、側表面３０４に沿った回折格子３０２を有するＤＦＢ導波路３００を示す。回折格子３０２は、半導体レーザ素子２００における所望の波長に対応する周期構造を有する。回折格子３０２のピッチは、５０ｎｍから５０００ｎｍの範囲であってもよく、１００ｎｍから２００ｎｍの範囲であることが好ましい。回折格子３０２は、第１のリング共振器２０２の内側側表面３０４および第１のリング共振器２０２の外側側表面の少なくとも一方に配置されてもよい。従って、回折格子３０２は、単一モードのレーザ発振を誘起することができ、この単一モードは、回折格子３０２のピッチに整合する。図３Ｂにおいて、回折格子３０２を有する側表面３０４は、内側側表面であるが、他の実施形態では、回折格子は、ＤＦＢ導波路３００の外側側表面に配置されてもよい。
【0036】
回折格子３０２は、ＤＦＢ導波路３００の上側表面３０６から下側表面３０８まで完全に延在しても、上側表面３０６と下側表面３０８の間で部分的にのみ延在してもよい。いくつかの実施形態では、回折格子３０２は、特に、ｐ－側半導体層２２４の上側表面と下側表面の間、またはｎ－側半導体層２２２の上側表面と下側表面の間で、部分的にのみ延在してもよい。
【0037】
いくつかの実施形態では、ＤＦＢ導波路は、ＤＦＢ導波路の上側表面に回折格子を有する。図３Ｃは、図２Ａの半導体レーザ素子の第１のリング共振器の曲線部に対応するＤＦＢ導波路３１０の上面図である。図３Ｄは、図３ＣのＤＦＢ導波路３１０の線ＩＩＩＤ－ＩＩＩＤに沿った一例の側断面図である。回折格子３１２は、ＤＦＢ導波路３１０の上側表面３１４に配置されている。回折格子３１２は、ＤＦＢ導波路３１０の内側側表面３１６からＤＦＢ導波路３１０の外側側表面３１８まで、上側表面３１４の横方向厚さの全体にわたって延在している。
【0038】
いくつかの実施形態では、ＤＦＢ導波路３１０は、埋設された回折格子を有する。図３Ｅは、図３ＣのＤＦＢ導波路３１０の線ＩＩＩＤ－ＩＩＩＤに沿った別の一例の側断面図である。回折格子３１２は、第１のリング共振器２０２に埋設される。いくつかの実施形態では、ｎ－側半導体層３２０が回折格子３１２を有し、および／またはｐ－側半導体層３２２が回折格子３１２を有してもよい。いくつかの実施形態では、導波路は、側表面回折格子、上側表面回折格子、および／または埋設回折格子の任意の組み合わせを含んでもよい。
【0039】
図４Ａ乃至図４Ｂは、一例の実施形態によるリング共振器の別の実施形態の上面図である。半導体レーザ素子２００のような半導体レーザ素子の、第１のリング共振器２０２および第２のリング共振器２０４のようなリング共振器は、いかなる形状およびサイズであってもよい。例えば、リング共振器は、環状または多角形（三角形、矩形など）であってもよい。第２のリング共振器２０４は、一様な導波路で形成されるが、第１のリング共振器２０２は、第１のリング共振器２０２の一部のみに存在する回折格子、または導波路の全体に沿って含まれる回折格子を有してもよい。回折格子は、内側側表面、外側側表面、上側表面の少なくとも１つに含まれ、および／または導波路に埋設されてもよい。例えば、回折格子は、第１のリング共振器２０２の内側側表面または外側側表面の全体に沿って含有されてもよい。
【0040】
ここで図４Ａを参照すると、特定の実施形態による部分回折格子を有する環状ＤＦＢ共振器４００が示されている。ＤＦＢ共振器４００は、環状リング共振器であり、ＤＦＢ共振器４００の一部のみに回折格子４０２を有する。ＤＦＢ共振器４００の残りの部分は、一様な導波路４０４であり、これは一様な導波路１０２と実質的に等しい。回折格子４０２は、全周の５％から１００％の範囲で、ＤＦＢ共振器４００の円周の一部にのみ存在してもよい。回折格子４０２は、隣接的（例えば連続的）であってもよく、または一様な導波路４０４の区画を挟んで、円周の周囲に配置されてもよい。
【0041】
ここで図４Ｂを参照すると、特定の実施形態による、回折格子を有する矩形ＤＦＢ共振器４１０が示されている。ＤＦＢ共振器４１０は、矩形リング共振器であり、４つの直線部４１２と、４つの曲線部４１４とを含む。ＤＦＢ共振器４１０は、ＤＦＢ共振器４１０の全周に沿って回折格子４１６を有する。いくつかの実施形態では、回折格子４１６は、曲線部４１４のみに認められ、または直線部４１２のみに認められてもよい。いくつかの実施形態では、回折格子４１６は、非対称な構成に含まれてもよい。例えば、４つの曲線部４１４の１つだけが回折格子４１６を含んでもよい。
【0042】
（実験結果）
図５Ａには、第１のリング共振器２０２のようなＤＦＢリング共振器の４７．２μＷのポンプパワーでのスペクトルグラフを示す。この共振器は、１１．６μＷのレーザ発振の閾値ポンプパワーを有する。スペクトルグラフには、４７．２μＷのポンプパワーにおいて、第１のリング共振器２０２が第１のピーク５００および第２のピーク５０２を形成し、従って、意図された単一モードのレーザ発振からずれていることが示されている。この装置では、レーザ発振閾値（例えば、レーザが主要な誘導放出を出力する最小励起レベル）の約４倍までのポンプパワーで、単一モードのレーザ発振が維持される。
図５Ａには、第１のリング共振器２０２のようなＤＦＢリング共振器の４７．２μＷのポンプパワーでのスペクトルグラフを示す。この共振器は、１１．６μＷのレーザ発振の閾値ポンプパワーを有する。スペクトルグラフには、４７．２μＷのポンプパワーにおいて、第１のリング共振器２０２が第１のピーク５００および第２のピーク５０２を形成し、従って、意図された単一モードのレーザ発振からずれていることが示されている。この装置では、レーザ発振閾値（例えば、レーザが主要な誘導放出を出力する最小励起レベル）の約４倍までのポンプパワーで、単一モードのレーザ発振が維持される。
【0043】
図５Ｂには、本発明の一実施形態による光学的に結合されたリング共振器を有する、半導体レーザ素子２００のような半導体レーザ素子の、９５．９μＷのポンプパワーでのスペクトルグラフを示す。スペクトルグラフには、９５．９μＷのポンプパワーで、半導体レーザ素子２００が単一のピーク５１０を形成することが示されており、単一モードのレーザ発振が維持されることが実証されている。この装置では、縦モードにおいて、レーザ発振閾値よりも少なくとも９倍大きなポンプパワーで、単一モードのレーザ発振が維持される。従って、半導体レーザ素子２００では、高輝度で高出力の単一モードのレーザ発振が可能となる。
【0044】
（半導体レーザ素子を製造する方法）
ここで図６を参照すると、一例の実施形態による半導体レーザ素子を形成する方法６００のフロー図が示されている。形成された半導体レーザ素子は、増幅された単一モードのレーザ発振を生成する。
ここで図６を参照すると、一例の実施形態による半導体レーザ素子を形成する方法６００のフロー図が示されている。形成された半導体レーザ素子は、増幅された単一モードのレーザ発振を生成する。
【0045】
電極を含む方法６００のステップは、半導体レーザ素子が光学的ポンピングにより駆動される場合、任意であってもよい。光学的ポンピングの間、半導体レーザ素子は、予備光源により照射され、この波長は、半導体レーザ素子の発光波長よりも短い。
【0046】
ステップ６０２では、半導体スタックが形成される。半導体スタックは、ｎ－側半導体層、ｐ－側半導体層、およびｎ－側半導体層とｐ－側半導体層の間に配置された活性層を有する。ステップ６０２の一例の結果は、図７Ａに示されており、図７Ａを参照して説明される。
【0047】
ステップ６０４では、ステップ６０２で形成された半導体スタックのｐ－側半導体層の上に、ｐ－電極層（「ｐ電極」とも称される）が成膜される。ｐ－電極は、半導体スタックの導電性コーティングとして機能する。いくつかの実施形態では、ｐ－電極層は、所定の高さに成膜される。ステップ６０４の一例の結果は、図７Ｂに示されており、図７Ｂを参照して説明される。
【0048】
ステップ６０６では、ステップ６０４で形成されたｐ－電極層の上にマスキング材料が成膜される。マスキング材料は、エッチング処理中の保護を提供し、エッチングマスクを付着するための表面が提供される。いくつかの実施形態では、マスキング材料は、所定の高さに成膜されてもよい。ステップ６０６の一例の結果は、図７Ｃに示されており、図７Ｃを参照して説明される。
【0049】
ステップ６０８では、ステップ６０６において成膜されたマスキング材料の上に、パターン化マスクが成膜される。パターン化マスクは、ステップ６１０でのエッチング処理中に半導体レーザ素子となる部分が除去されないように、活性層の一部を遮蔽する。パターン化マスクは、周期構造を含む部分を含んでもよく、半導体レーザ素子の一部に回折格子が形成される。ステップ６０８の一例の結果は、図７Ｄに示されており、図７Ｄを参照して説明される。
【0050】
ステップ６１０では、表面がエッチングされ、半導体レーザ素子が形成される。エッチング処理では、ステップ６０８で成膜されたパターン化マスクにより被覆されていない領域における、マスキング材料、ｐ－電極層、ｐ－側半導体層、活性層、およびｎ－側半導体層の一部が除去される。従って、エッチング処理では、パターン化マスクの第１のリング部分に対応する第１のリング共振器と、パターン化マスクの第２のリング部分に対応する第２のリング共振器とが形成される。また、エッチング処理では、第１のリング共振器の上に、パターン化マスクの周期構造に対応する回折格子が形成される。ステップ６１０の一例の結果は、図７Ｅに示されており、図７Ｅを参照して説明される。
【0051】
ステップ６１２では、半導体スタック上に残留するパターン化マスクおよびマスキング材料が除去される。除去処理は、被除去材料に適したエッチングプロセスにより行われ、ドライエッチングプロセスまたはウェットエッチングプロセスを含んでもよい。パターン化マスクおよびマスキング材料が除去されると、半導体レーザ素子が残留し、該半導体レーザ素子は、第１の共振器リングおよび第２の共振器リングに形成された、ｐ－電極層、ｐ－側半導体層、活性層、およびｎ－側半導体層を有する。第１の共振器リングは、回折格子を有する。ステップ６１２の一例の結果は、図７Ｆに示されており、図７Ｆを参照して説明される。
【0052】
ステップ６１４では、半導体レーザ素子が絶縁体に埋設される。絶縁体は、半導体レーザ素子を、該半導体レーザ素子の他の部材（およびレーザシステムの他の部材）から絶縁し、ｐ－側半導体からｎ－側半導体への好適な電流の流れが確保される。ステップ６１４の一例の結果は、図７Ｇに示されており、図７Ｇを参照して説明される。
【0053】
ステップ６１６では、絶縁体の表面がエッチングされ、半導体レーザ素子が現れる。エッチング深さは、所定の距離に設定されてもよく、あるいはエッチング処理は、半導体レーザ素子が露出するまで継続されてもよい。ステップ６１６の一例の結果は、図７Ｈに示されており、図７Ｈを参照して説明される。
【0054】
ステップ６１８では、パッド電極が設置され、蒸着プロセス、スパッタリングプロセスなどを経て、半導体レーザ素子が形成される。露出した半導体レーザ素子を含む表面に、正のパッド電極が設置され、ｎ－側半導体層に、負のパッド電極が設置される。パッド電極を有し、絶縁体に埋設されて得られた半導体レーザ素子は、半導体レーザシステムに使用されてもよい。ステップ６１８の一例の結果は、図７Ｉに示されており、図７Ｉを参照して説明される。
【0055】
いくつかの実施形態では、方法６００は、表面調製ステップ（例えば、スクライビング処理、清浄化等）のような、追加のステップを有してもよい。いくつかの実施形態では、追加のステップは、追加の層を形成するステップを有してもよい。
【0056】
全般に図７Ａ乃至図７Ｉを参照すると、一例の実施形態による図６の方法６００のステップの描写が示されている。図７Ａ乃至図７Ｉにおいて製造された半導体レーザ素子は、方法６００の実施形態に基づいて製造された一例の半導体レーザ素子である。方法６００により、図面に示されていない他の各種半導体レーザ素子が形成されてもよい。
【0057】
ここで図７Ａを参照すると、一例の実施形態による図６のステップ６０２の結果の描写が示されている。図７Ａには、層状エピタキシャル膜で形成された半導体スタック７００を示す。いくつかの実施形態では、半導体スタック７００は、第ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料または第ＩＩ－ＶＩ族半導体材料で構成された半導体スタックを有する。いくつかの実施形態では、半導体スタック７００は、化学気相成膜法（ＣＶＤ）（例えば、大気圧ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）、金属有機ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）等）、または物理気相成膜法（ＰＶＤ）（例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、スパッタリング等）により、形成される。示された実施形態では、半導体スタック７００は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む。いくつかの実施形態では、半導体スタック７００は、圧力および温度の調整が可能なチャンバー内でのＭＯＣＶＤ法により製造される。各窒化物半導体層は、チャンバー内に、キャリアガスおよびソースガスを導入することにより形成できる。キャリアガスには、水素（Ｈ２）または窒素（Ｎ２）ガスを使用することができる。窒素源として、アンモニア（ＮＨ３）ガスを使用することができる。Ｇａ源ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガスを使用することができる。Ｉｎ源ガスとして、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを使用することができる。Ａｌ源ガスとして、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを使用することができる。Ｓｉ源ガスとして、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスを使用することができる。Ｍｇ源ガスとして、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）ガスを使用することができる。
【0058】
半導体スタック７００は、ｎ－側半導体層７０２、活性層７０４、およびｐ－側半導体層７０６を有する。活性層７０４は、ｎ－側半導体層７０２とｐ－側半導体層７０６の間に配置される。ｎ－側半導体層７０２は、ｎ－側層高さ７０８を有する。活性層７０４は、活性層高さ７１０を有する。ｐ－側半導体層７０６は、ｐ－側層高さ７１２を有する。ｎ－側層高さ７０８、活性層高さ７１０、およびｐ－側層高さ７１２は、方法６００により形成される半導体レーザ素子の用途に合わせて特別に設定されてもよく、あるいは半導体レーザ素子の高さ、重量等の制約に適合するように設定されてもよい。いくつかの実施形態では、活性層７０４は、該活性層の下側表面および／または上側表面が平面を形成するように形成される。これにより、形成された半導体レーザ素子が、同一平面の活性層表面を含む部材を有することが可能となる。例えば、第１のリング共振器２０２の活性層の上側表面と、第２のリング共振器２０４の活性層の上側表面は、同一平面上にあってもよく、および／または出力導波路２０６の活性表面の上側表面と第２のリング共振器２０４の上側表面は、同一平面上にあってもよい。いくつかの実施形態では、半導体レーザ素子の両方の共振器に同じ活性層材料が使用される。
【0059】
図８は、図７Ａに示す半導体スタック７００として使用され得る半導体スタック８００の代替例を示す。半導体スタック８００は、ｎ－側半導体層８０２を有する。ｎ－側半導体層８０２は、基板８０４、ｎ－側クラッド層８０６、およびｎ－側導波層８０８を有する。半導体スタック８００は、さらに、活性層８１０およびｐ－側半導体層８１２を有する。ｐ－側半導体層８１２は、ｐ－側導波層およびｐ－側クラッド層を有してもよい。示された実施形態では、基板８０４は、ｎ－型ＧａＮを有し、ｎ－側クラッド層８０６の下側に配置される。ｎ－側クラッド層８０６は、ｎ－型ＡｌＧａＮを有し、２４００ｎｍの厚さであり、ｎ－側導波層８０８の下側に配置される。ｎ－側導波層８０８は、ＧａＮを有し、１７０ｎｍの厚さであり、活性層８１０の下側に配置される。活性層８１０は、ＩｎＧａＮ井戸層を含む多重量子井戸構造を有し、１３６ｎｍの厚さであり、ｐ－側半導体層８１２の下側に配置される。ｐ－側半導体層８１２は、ＧａＮ導波層を有し、１７０ｎｍの厚さである。
【0060】
ここで図７Ｂを参照すると、一例の実施形態による図６のステップ６０４の結果の描写が示されている。図７Ｂには、半導体スタック７００のｐ－側半導体層７０６の上に成膜されたｐ－電極層７２０が示されている。いくつかの実施形態では、ｐ－電極層７２０は、スパッタリング法により形成される。示された実施形態では、ｐ－電極層７２０は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）およびアルミドープ亜鉛酸化物（ＡＺＯ）のような透明電極、またはＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、ＲｈまたはＰｔを含む金属電極を有する。いくつかの実施形態では、ｐ－電極層７２０は、ＩＴＯのような導電性酸化物を有し、これはエッチング処理に好適である。ｐ－電極層７２０は、ｐ－電極層高さ７２２を有する。ｐ－電極層高さ７２２は、半導体レーザ素子の用途に合わせて設定されてもよく、あるいは制約に整合するように設定されてもよい。
【0061】
ここで図７Ｃを参照すると、一例の実施形態による図６のステップ６０６の結果の描写が示されている。図７Ｃには、ステップ６０６において形成された、ｐ－電極層７２０の上のマスキング材料７３０を示す。いくつかの実施形態では、マスキング材料７３０は、ＣＶＤ法により成膜されてもよい。いくつかの実施形態では、マスキング材料７３０は、絶縁体膜である。いくつかの実施形態では、マスキング材料７３０は、ＳｉＯ２、ＳｉＮまたはＡｌＮであってもよい。マスキング材料７３０は、マスキング材料高さ７３２で形成されてもよい。マスキング材料高さ７３２は、パターン化マスクが接着される際に、十分な保護（例えば、エッチング処理では所望の部分だけがエッチングさせる）、および十分な接着（例えば、エッチング処理中にマスクがマスキング材料７３０から剥離しない）を提供するように設定されてもよい。
【0062】
ここで図７Ｄを参照すると、一例の実施形態による図６のステップ６０８の結果の描写が示されている。図７には、ステップ６０８において形成され、マスキング材料７３０の上に成膜されるパターン化マスク７４０を示す。いくつかの実施形態では、パターン化マスクは、半導体スタック７００のｎ－側半導体層７０２またはｐ－側半導体層７０６の上に成膜されてもよい。パターン化マスク７４０は、マスキング材料高さ７４２で形成されてもよい。パターン化マスク７４０は、エッチングステップ６１０により半導体レーザ素子が製造されるように、マスキング材料７３０上に成膜される。マスキング材料高さ７４２は、ステップ６１０におけるエッチング処理中に、パターン化マスク７４０が十分な保護（例えば、エッチング処理では目的の部分だけがエッチングされる）を提供するように設定されてもよい。パターン化マスクは、ネガトーンレジストを有してもよい。いくつかの実施形態では、パターン化マスクは、電子線リソグラフィを介して設置される。
【0063】
パターン化マスク７４０の形状は、形成される半導体レーザ素子における半導体レーザ素子の形状に対応する、少なくとも第１のリング状部分および第２のリング状部分を有してもよい。例えば、パターン化マスクは、第１のリング共振器２０２および第２のリング共振器２０４の形状に対応してもよい。また、パターン化マスク７４０は、周期構造を有してもよい。周期構造は、第１のリング状部分の内側側表面または外側側表面に配置されてもよい。周期構造の形状（例えば振幅、周期等）は、半導体レーザ素子における所望の波長に対応する。
【0064】
ここで図７Ｅを参照すると、一例の実施形態による図６のステップ６１０の結果の描写が示されている。図７Ｅには、エッチングステップ６１０の結果を示す。エッチング処理により、マスキング材料７３０、ｐ－電極層７２０、ｐ－側半導体層７０６、活性層７０４、およびｎ－側半導体層７０２の一部が除去される。エッチング処理では、パターン化マスク７４０の下側の材料は除去されない。表面は、エッチング深さ７５０でエッチングされてもよい。エッチング深さ７５０は、ｎ－側半導体層７０２の一部のみが露出され、または基板へのエッチングが回避されるように、設定される。いくつかの実施形態では、エッチング深さ７５０は、予め定められた深さであってもよく、あるいは半導体レーザ素子が形成される後まで、エッチング処理が継続されてもよい。いくつかの実施形態では、エッチング深さ７５０は、１．５μｍ（マイクロメートル）である。
【0065】
いくつかの実施形態では、エッチング処理は、ドライエッチング処理であってもよく、この場合、表面がイオンに晒され、露出された（例えば未マスク化）表面から、材料の一部が放出される。いくつかの実施形態では、エッチング処理は、反応性イオンエッチングを介してもよい。被エッチング材料に応じて、エッチング処理に異なるガスが使用されてもよい。例えば、ＣＨＦ３およびＯ２が使用され、マスキング層がエッチングされ、Ｃｌ２およびＳｉＣｌ４が使用され、半導体スタックの層がエッチングされてもよい。エッチング処理は、流量（例えばイオンの流量）、温度、周囲圧力、時間等の、多くのパラメータで操作されてもよい。いくつかの実施形態では、エッチング中の圧力は、０．１Ｐａから５Ｐａの範囲である。
【0066】
ここで図７Ｆを参照すると、一例の実施形態による図６のステップ６１２の結果の描写が示されている。図７Ｆには、ステップ６１２において、マスキング材料７３０およびパターン化マスク７４０が除去された際の、半導体スタック７００上にｐ－電極層７２０を有する半導体レーザ素子７６０を示す。
【0067】
ここで図７Ｇを参照すると、一例の実施形態による図６のステップ６１４の結果の描写が示されている。図７Ｇには、半導体レーザ素子７６０を埋設するステップ６１４で形成された、絶縁体７７０を示す。示された実施形態では、絶縁体７７０は、ｎ－側半導体層７０２の下側エッチング表面７７４から、絶縁体高さ７７２だけ遠ざかるように延在してもよい。絶縁体高さ７７２は、絶縁体７７０が半導体レーザ素子７６０を完全に包み込むように設定される。示された実施形態では、絶縁体は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、またはＡｌＮとすることができる。
【0068】
ここで図７Ｈを参照すると、一例の実施形態による図６のステップ６１６の結果の描写が示されている。図７Ｈには、絶縁体７７０が除去されたため露出されたｐ－電極層７２０を示す。いくつかの実施形態では、ｐ－電極層７２０の上側表面および絶縁体７７０の上側表面は、同一平面上にある。ｐ－電極層を露出するために使用されるエッチング処理は、反応性イオンエッチング処理であってもよい。いくつかの実施形態では、エッチング処理にＣＨＦ３およびＯ２が使用されてもよい。
【0069】
ここで図７Ｉを参照すると、一例の実施形態による図６のステップ６１８の結果として得られる半導体レーザ素子７６０の描写が示されている。図７Ｉには、ステップ６１８において、半導体レーザ素子７６０に設置された、ｎ－パッド電極７９０およびｐ－パッド電極７９２を示す。示された実施形態では、ｐ－パッド電極７９２は、絶縁体７７０およびｐ－電極層７２０の上に積層され、ｎ－パッド電極７９０は、ｎ－側半導体層７０２の下側に積層される。正パッド電極および負パッド電極の構成により、半導体レーザ素子を介して、電荷が負パッド電極から正パッド電極に流れることが可能になる。いくつかの実施形態では、半導体スタック７００の配向に応じて、正パッド電極と負パッド電極の配置が切り替えられてもよい。いくつかの実施形態では、半導体レーザ素子および該半導体レーザ素子のパッドの構成により、パッド電極へのアクセスが容易となり得る（例えば、フリップチップ構成、制御された破壊チップ接続等）。
【0070】
一実施形態では、半導体レーザ素子を形成する方法は、半導体スタックを形成するステップを有し、このスタックは、ｎ－側半導体層、ｐ－側半導体層、およびｎ－側半導体層とｐ－側半導体層の間に配置された活性層を有する。本方法は、さらに、半導体スタック上にマスクを形成するステップを有し、マスクは、第１のリング状部分および第２のリング状部分を含み、第１のリング状部分の内側側表面または外側側表面に、周期構造が配置される。本方法は、さらに、半導体スタックをドライエッチングして、第１のリング状部分に対応する第１のリング共振器、および第２のリング状部分に対応する第２のリング共振器を形成するステップを有し、第１のリング共振器は、周期構造に対応する回折格子を有し、ドライエッチング処理は、０．１Ｐａから５Ｐａの範囲の圧力で実施される。
【0071】
図９Ａ乃至図９Ｂには、一例の実施形態による、異なる圧力下で回折格子を形成することの効果の拡大図を示す。導波路の側表面に回折格子が認められ、該回折格子は、図６のステップ６１０を参照して説明したように、異なる圧力下でのエッチング処理により形成される。
【0072】
図９Ａには、側表面９０４に回折格子９０２を含む導波路９００の拡大図を示す。回折格子９０２は、１２Ｐａの圧力下で形成される。この圧力では、回折格子９０２は、上側表面９０８から下側表面９１０までの回折格子高さ９０６に沿って、鮮明度（例えば所望の形状）を喪失する。鮮明度の喪失は、エッチング処理中のエッチャントの跳ね返りの結果であり得、この場合、除去することが意図されていない材料が除去される。鮮明度の喪失は、導波路９００により形成される光のモードに悪影響を及ぼす可能性があり、これは、意図された単一モードを超えて導入される追加のモードに対応し得る。
【0073】
図９Ｂには、側表面９２４に回折格子９２２を含む導波路９２０の拡大図を示す。回折格子９２２は、０．５Ｐａの圧力下で形成される。この圧力下では、形成された回折格子９２２は、導波路９００の回折格子９０２に比べて、回折格子長さ９２６に沿って実質的に均一である。従って、エッチング処理中の周囲の圧力の低下は、エッチャントの跳ね返り量の低減に対応し、回折格子の忠実度が高められる。いくつかの実施形態では、５Ｐａ以下の圧力において、より高い忠実度の回折格子が得られる。より好ましくは、３Ｐａ以下の圧力において、さらに高い忠実度の回折格子が得られる。さらに好ましくは、１Ｐａ以下の圧力において、さらに高い忠実度の回折格子が得られる。
【0074】
（他の実施形態）
ここで図１０を参照すると、別の実施形態による半導体レーザ素子１０００の上面図が示されている。半導体レーザ素子１０００は、両方のパッド電極が半導体レーザ素子１０００の同じ側に配置された構成を有する。半導体レーザ素子１０００は、第１のリング共振器１００２と実質的に同様の第１のリング共振器１００２と、第２のリング共振器１００４と実質的に同様の第２のリング共振器１００４とを有する。第１のリング共振器１００２および第２のリング共振器１００４は、光学的に結合され、絶縁体７７０と実質的に等しい絶縁体１００６に埋設される。絶縁体は、さらに、ｎ－パッド電極７９０と実質的に等しいｎ－パッド電極１００８と、ｐ－パッド電極７９２と実質的に等しいｐ－パッド電極１０１０とを分離する。半導体レーザ素子を介して、ｎ－パッド電極１００８からｐ－パッド電極１０１０に電荷が流れてもよい。
ここで図１０を参照すると、別の実施形態による半導体レーザ素子１０００の上面図が示されている。半導体レーザ素子１０００は、両方のパッド電極が半導体レーザ素子１０００の同じ側に配置された構成を有する。半導体レーザ素子１０００は、第１のリング共振器１００２と実質的に同様の第１のリング共振器１００２と、第２のリング共振器１００４と実質的に同様の第２のリング共振器１００４とを有する。第１のリング共振器１００２および第２のリング共振器１００４は、光学的に結合され、絶縁体７７０と実質的に等しい絶縁体１００６に埋設される。絶縁体は、さらに、ｎ－パッド電極７９０と実質的に等しいｎ－パッド電極１００８と、ｐ－パッド電極７９２と実質的に等しいｐ－パッド電極１０１０とを分離する。半導体レーザ素子を介して、ｎ－パッド電極１００８からｐ－パッド電極１０１０に電荷が流れてもよい。
【0075】
ここで図１１を参照すると、図１０の半導体レーザ素子１０００の線Ｘ－Ｘに沿った断面図が示されている。図１１に示すように、ｎ－側半導体層７０２と実質的に等しいｎ－側半導体層１１００の上に、ｎ－パッド電極１００８が積層される。ｎ－パッド電極１００８は、絶縁体１００６上に積層されたｐ－パッド電極１０１０から、およびｐ－電極層７２０と実質的に等しいｐ－電極層１１０２から、オフセットされる。半導体レーザ素子１０００の構成により、ｎ－側半導体層１１００、活性層１１０４（活性層７０４と実質的に等しい）、ｐ－側半導体層１１０６（ｐ－側半導体層７０６と実質的に等しい）、およびｐ－電極層１１０２を介して、ｎ－パッド電極１００８からｐ－パッド電極１０１０に電荷が流れるようになる一方で、一方の側からパッド電極にアクセスすることが可能になる。
【0076】
いくつかの実施形態では、ｐ－パッド電極１０１０とｎ－パッド電極１００８は、第１のリング共振器１００２および第２のリング共振器１００４により分離される。第１のリング共振器１００２に印加される電流および第２のリング共振器１００４に印加される電流は、独立して制御されてもよい。第１のリング共振器１００２に印加される電流密度の大きさは、第２のリング共振器１００４に印加される電流密度の大きさよりも小さい。第２のリング共振器１００４は、縦モードの単一モードの光を増幅して維持することができる。
【0077】
（実験結果）
全般に図１２Ａ乃至図１２Ｂを参照すると、第１のリング共振器２０２および第２のリング共振器２０４のような、リング共振器同士の間の距離が異なる、半導体レーザ素子２００のような、一例の実施形態による半導体レーザ素子の実験結果のレーザ発振モードのグラフが示されている。半導体レーザ素子は、３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ半導体レーザにより、光学的にポンピングされる。試料からの放射線が対物レンズにより集光され、分光器に接続された光ファイバーに結合される。半導体レーザ素子のモード安定化効果を評価するため、ポンプ強度を変化させてスペクトルをモニターした。
全般に図１２Ａ乃至図１２Ｂを参照すると、第１のリング共振器２０２および第２のリング共振器２０４のような、リング共振器同士の間の距離が異なる、半導体レーザ素子２００のような、一例の実施形態による半導体レーザ素子の実験結果のレーザ発振モードのグラフが示されている。半導体レーザ素子は、３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ半導体レーザにより、光学的にポンピングされる。試料からの放射線が対物レンズにより集光され、分光器に接続された光ファイバーに結合される。半導体レーザ素子のモード安定化効果を評価するため、ポンプ強度を変化させてスペクトルをモニターした。
【0078】
次に図１２Ａを参照すると、半導体レーザ素子のスペクトルグラフが示されている。２つのリングは、５００ｎｍの距離で離間され、これは相互に十分に離れているため、十分な光学的結合を得ることは難しい。スペクトルグラフに見られるように、単一モードのレーザ発振１２００およびマルチモードのレーザ発振１２０２の両方が生成される。しかしながら通常、マルチモードのレーザ発振は、閾値１２０４よりも上側に現れる。これは、一様なリング共振器（第２のリング共振器２０４に対応）のポンピングパワーに対応し、ＤＦＢリング共振器（第１のリング共振器２０２に対応）のポンピングパワーには実質的に依存しない。閾値１２０４は、２つのリング共振器の間に結合がなく、両リング共振器が５００ｎｍの距離で独立に作動することを表す。
【0079】
次に図１２Ｂを参照すると、半導体レーザ素子のスペクトルグラフが示されている。２つのリング共振器は、３０ｎｍの距離で離間され、これにより、光学的結合が可能となる。スペクトルグラフに見られるように、半導体レーザ素子においても、単一モードのレーザ発振１２１０およびマルチモードのレーザ発振１２１２が生じる。しかしながら、２つのリング共振器が同時にレーザ発振する場合、単一モードのレーザ発振が観測される。従って、ＤＦＢリング共振器では、両方のリング共振器において単一モードのレーザ発振が強制され、マルチモードの高出力リングレーザのモードは、回折格子により定められたモードにロックされる。この構成では、縦モードの単一モードのレーザ発振をレーザ発振閾値の最大約１１倍に維持しながら、強度をかなり高めることができる。
【0080】
さらに、例えば、本開示は以下の構成を有してもよい。
（１）
半導体レーザ素子であって、
第１のｎ－側半導体層、第１のｐ－側半導体層、および前記第１のｎ－側半導体層と前記第１のｐ－側半導体層の間に配置された第１の活性層を有する、第１の半導体スタックを有し、
回折格子を有する、
第１のリング共振器と、
第２のｎ－側半導体層、第２のｐ－側半導体層、および前記第２のｎ－側半導体層と前記第２のｐ－側半導体層の間に配置された第２の活性層を有する、第２の半導体スタックを有する、
エバネッセント場結合により、前記第１のリング共振器に光学的に結合された第２のリング共振器と、
を有し、
前記第２のリング共振器により放射される光のピーク波長は、前記第１のリング共振器により放射される光のピーク波長と同じである、半導体レーザ素子。
（２）
半導体レーザ素子であって、
第１のｎ－側半導体層、第１のｐ－側半導体層、および前記第１のｎ－側半導体層と前記第１のｐ－側半導体層の間に配置された第１の活性層を有する、第１の半導体スタックを有し、
回折格子を有する、
第１のリング共振器と、
第２のｎ－側半導体層、第２のｐ－側半導体層、および前記第２のｎ－側半導体層と前記第２のｐ－側半導体層の間に配置された第２の活性層を有する、第２の半導体スタックを有する、
エバネッセント場結合により、前記第１のリング共振器に光学的に結合された第２のリング共振器と、
を有し、
前記第１のリング共振器および前記第２のリング共振器には、希土類元素がドープされていない、半導体レーザ素子。
（３）
前記第１の活性層および前記第２の活性層は、同じ材料で構成される、（１）または（２）に記載の半導体レーザ素子。
（４）
前記第１の活性層の上側表面および前記第２の活性層の上側表面は、同一平面上にある、（１）乃至（３）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（５）
前記回折格子は、前記第１のリング共振器の内側側表面および前記第１のリング共振器の外側側表面の少なくとも一方に配置される、（１）乃至（４）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（６）
前記回折格子は、前記第１のリング共振器の上側表面に配置される、（１）乃至（４）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（７）
前記回折格子は、前記第１のリング共振器に埋設される、（１）乃至（４）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（８）
前記第１のリング共振器は、１または２以上の直線部と、１または２以上の曲線部とを有し、
前記第１のリング共振器と前記第２のリング共振器の間の距離は、前記１または２以上の直線部の一つで最小となる、（１）乃至（７）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（９）
前記距離は、１０ｎｍから４００ｎｍの範囲である、（８）に記載の半導体レーザ素子。
（１０）
前記回折格子は、（ｉ）前記１または２以上の直線部、または（ｉｉ）前記１または２以上の曲線部の一方のみに配置される、（８）または（９）に記載の半導体レーザ素子。
（１１）
前記第１のリング共振器は、丁度４つの直線部と丁度４つの曲線部とを有し、
前記回折格子は、前記４つの直線部の全てに配置される、（１）乃至（８）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１２）
前記第１のリング共振器は、丁度４つの直線部と丁度４つの曲線部とを有し、
前記回折格子は、前記４つの曲線部の全てに配置される、（１）乃至（８）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１３）
前記回折格子は、前記第１のリング共振器の内側側表面の全体、または前記第１のリング共振器の外側側表面の全体に配置される、（１）乃至（８）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１４）
前記第１のリング共振器は環状であり、３μｍから５０００μｍの範囲の半径を有する、（１）乃至（７）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１５）
前記第１の半導体スタックと前記第２の半導体スタックの各々は、第ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料または第ＩＩ－ＶＩ族半導体材料で構成される、（１）乃至（１４）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１６）
前記第１のリング共振器および前記第２のリング共振器は、窒化物半導体材料で構成された半導体スタックを有する、（１）乃至（１５）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１７）
さらに出力導波路を有し、
前記出力導波路および前記第２のリング共振器は、光学的に結合される、（１）乃至（１６）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１８）
前記出力導波路の第３の活性層の上側表面は、前記第２の活性層の上側表面と同一平面上にある、（１７）に記載の半導体レーザ素子。
（１９）
前記第３の活性層および前記第２の活性層は、同じ材料で構成される、（１８）に記載の半導体レーザ素子。
（２０）
半導体レーザ素子を製造する方法であって、
ｎ－側半導体層、
ｐ－側半導体層、および
前記ｎ－側半導体層と前記ｐ－側半導体層の間に配置された活性層、
を有する、半導体スタックを形成することと、
第１のリング状部分および第２のリング状部分を有し、前記第１のリング状部分の内側側表面または外側側表面には周期構造が配置されるマスクを、前記半導体スタック上に形成することと、
前記半導体スタックをドライエッチングして、前記第１のリング状部分に対応する第１のリング共振器、および前記第２のリング状部分に対応する第２のリング共振器を形成することと、
を有し、
前記第１のリング共振器は、前記周期構造に対応する回折格子を有し、
前記ドライエッチングは、０．１Ｐａから５Ｐａの範囲の圧力で実施される、半導体レーザ素子を製造する方法。
（２１）
前記ドライエッチングは、ＣＨＦ３／Ｏ２ガスおよびＣｌ２／ＳｉＣｌ４ガスを用いて反応性イオンエッチングである、（２０）に記載の半導体レーザ素子を製造する方法。
（２２）
主発振器出力増幅器であって、
第１のｎ－側半導体層、第１のｐ－側半導体層、および前記第１のｎ－側半導体層と前記第１のｐ－側半導体層の間に配置された第１の活性層を有する、第１の半導体スタックを有し、
回折格子を有する、
第１のリング共振器と、
第２のｎ－側半導体層、第２のｐ－側半導体層、および前記第２のｎ－側半導体層と前記第２のｐ－側半導体層の間に配置された第２の活性層を有する、第２の半導体スタックを有する、
エバネッセント場結合により、前記第１のリング共振器に光学的に結合された第２のリング共振器と、
を有する、主発振器出力増幅器。
（１）
半導体レーザ素子であって、
第１のｎ－側半導体層、第１のｐ－側半導体層、および前記第１のｎ－側半導体層と前記第１のｐ－側半導体層の間に配置された第１の活性層を有する、第１の半導体スタックを有し、
回折格子を有する、
第１のリング共振器と、
第２のｎ－側半導体層、第２のｐ－側半導体層、および前記第２のｎ－側半導体層と前記第２のｐ－側半導体層の間に配置された第２の活性層を有する、第２の半導体スタックを有する、
エバネッセント場結合により、前記第１のリング共振器に光学的に結合された第２のリング共振器と、
を有し、
前記第２のリング共振器により放射される光のピーク波長は、前記第１のリング共振器により放射される光のピーク波長と同じである、半導体レーザ素子。
（２）
半導体レーザ素子であって、
第１のｎ－側半導体層、第１のｐ－側半導体層、および前記第１のｎ－側半導体層と前記第１のｐ－側半導体層の間に配置された第１の活性層を有する、第１の半導体スタックを有し、
回折格子を有する、
第１のリング共振器と、
第２のｎ－側半導体層、第２のｐ－側半導体層、および前記第２のｎ－側半導体層と前記第２のｐ－側半導体層の間に配置された第２の活性層を有する、第２の半導体スタックを有する、
エバネッセント場結合により、前記第１のリング共振器に光学的に結合された第２のリング共振器と、
を有し、
前記第１のリング共振器および前記第２のリング共振器には、希土類元素がドープされていない、半導体レーザ素子。
（３）
前記第１の活性層および前記第２の活性層は、同じ材料で構成される、（１）または（２）に記載の半導体レーザ素子。
（４）
前記第１の活性層の上側表面および前記第２の活性層の上側表面は、同一平面上にある、（１）乃至（３）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（５）
前記回折格子は、前記第１のリング共振器の内側側表面および前記第１のリング共振器の外側側表面の少なくとも一方に配置される、（１）乃至（４）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（６）
前記回折格子は、前記第１のリング共振器の上側表面に配置される、（１）乃至（４）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（７）
前記回折格子は、前記第１のリング共振器に埋設される、（１）乃至（４）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（８）
前記第１のリング共振器は、１または２以上の直線部と、１または２以上の曲線部とを有し、
前記第１のリング共振器と前記第２のリング共振器の間の距離は、前記１または２以上の直線部の一つで最小となる、（１）乃至（７）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（９）
前記距離は、１０ｎｍから４００ｎｍの範囲である、（８）に記載の半導体レーザ素子。
（１０）
前記回折格子は、（ｉ）前記１または２以上の直線部、または（ｉｉ）前記１または２以上の曲線部の一方のみに配置される、（８）または（９）に記載の半導体レーザ素子。
（１１）
前記第１のリング共振器は、丁度４つの直線部と丁度４つの曲線部とを有し、
前記回折格子は、前記４つの直線部の全てに配置される、（１）乃至（８）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１２）
前記第１のリング共振器は、丁度４つの直線部と丁度４つの曲線部とを有し、
前記回折格子は、前記４つの曲線部の全てに配置される、（１）乃至（８）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１３）
前記回折格子は、前記第１のリング共振器の内側側表面の全体、または前記第１のリング共振器の外側側表面の全体に配置される、（１）乃至（８）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１４）
前記第１のリング共振器は環状であり、３μｍから５０００μｍの範囲の半径を有する、（１）乃至（７）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１５）
前記第１の半導体スタックと前記第２の半導体スタックの各々は、第ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料または第ＩＩ－ＶＩ族半導体材料で構成される、（１）乃至（１４）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１６）
前記第１のリング共振器および前記第２のリング共振器は、窒化物半導体材料で構成された半導体スタックを有する、（１）乃至（１５）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１７）
さらに出力導波路を有し、
前記出力導波路および前記第２のリング共振器は、光学的に結合される、（１）乃至（１６）のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
（１８）
前記出力導波路の第３の活性層の上側表面は、前記第２の活性層の上側表面と同一平面上にある、（１７）に記載の半導体レーザ素子。
（１９）
前記第３の活性層および前記第２の活性層は、同じ材料で構成される、（１８）に記載の半導体レーザ素子。
（２０）
半導体レーザ素子を製造する方法であって、
ｎ－側半導体層、
ｐ－側半導体層、および
前記ｎ－側半導体層と前記ｐ－側半導体層の間に配置された活性層、
を有する、半導体スタックを形成することと、
第１のリング状部分および第２のリング状部分を有し、前記第１のリング状部分の内側側表面または外側側表面には周期構造が配置されるマスクを、前記半導体スタック上に形成することと、
前記半導体スタックをドライエッチングして、前記第１のリング状部分に対応する第１のリング共振器、および前記第２のリング状部分に対応する第２のリング共振器を形成することと、
を有し、
前記第１のリング共振器は、前記周期構造に対応する回折格子を有し、
前記ドライエッチングは、０．１Ｐａから５Ｐａの範囲の圧力で実施される、半導体レーザ素子を製造する方法。
（２１）
前記ドライエッチングは、ＣＨＦ３／Ｏ２ガスおよびＣｌ２／ＳｉＣｌ４ガスを用いて反応性イオンエッチングである、（２０）に記載の半導体レーザ素子を製造する方法。
（２２）
主発振器出力増幅器であって、
第１のｎ－側半導体層、第１のｐ－側半導体層、および前記第１のｎ－側半導体層と前記第１のｐ－側半導体層の間に配置された第１の活性層を有する、第１の半導体スタックを有し、
回折格子を有する、
第１のリング共振器と、
第２のｎ－側半導体層、第２のｐ－側半導体層、および前記第２のｎ－側半導体層と前記第２のｐ－側半導体層の間に配置された第２の活性層を有する、第２の半導体スタックを有する、
エバネッセント場結合により、前記第１のリング共振器に光学的に結合された第２のリング共振器と、
を有する、主発振器出力増幅器。
【0081】
本明細書には、多くの特定の実施形態の詳細が含まれるが、これらは、主張される範囲を限定するものと解してはならず、むしろ特定の実施形態に固有の特徴を説明するものと解される必要がある。また、個別の実施形態の文脈において、本明細書に記載されたある特徴は、単一の実施形態において組み合わせて実施され得る。また逆に、単一の実施形態の文脈において記載された各種特徴は、複数の実施形態において別個に、または任意の好適なサブコンビネーションで実施され得る。さらに、特徴は、ある組み合わせにおいて作動するように記載され、最初はそのように主張されることもあり得るが、ある場合には、主張される組み合わせから、１つ以上の特徴が組み合わせから削除することができ、主張される組み合わせは、サブコンビネーションに誘導され、またはサブコンビネーションのバリエーションに誘導されてもよい。
【0082】
本願で使用される数値範囲に関する「ほぼ」、「約」、「実質的に」という用語、および同様の用語は、一般に、開示された値の±１０％を意味する。「ほぼ」、「約」、「実質的に」と言う用語、および同様の用語が構造的特徴（例えば、その形状、サイズ、配向、方向等を記載するため）に適用される場合、これらの用語は、例えば、製造または組み立ての段階で生じる可能性のある構造のわずかな変化を網羅することを意味し、本開示の主題に関する当業者により広く受け入れられている使用法と調和した、広い意味を有することが意図される。従って、これらの用語は、記載され請求された主題に対する本質的でなく重要でない改変または変更が、添付の特許請求の範囲に記載された開示の範囲内にあると見なされることを示すものと解される必要がある。
【0083】
本願において各種実施形態を説明するために使用される「一例の」という用語およびその変化形は、そのような実施形態が、想定される実施形態の可能な例、表現、または説明であること（およびそのような用語は、そのような実施形態が必ずしも特別のまたは最上位の例であることを意味するものではない）を示すことを意図することに留意する必要がある。
【0084】
本願に使用される方向に関する用語（例えば、「上」、「下」、「上側」、「下側」）は、絶対的な位置ではなく、単に相対的な位置を記述するために使用される。素子の絶対位置は、実際の装置では異なってもよい。
【0085】
また、「または」という用語は、（排他的な意味ではなく）包括的な意味で使用され、例えば、素子のリストを接続するために使用される場合、「または」という用語は、リスト内の素子の１つ、一部、または全てを意味する。特に明記されない限り、「Ｘ、Ｙ、Ｚの少なくとも１つ」という語句のようなの接続用語は、項目、用語等がＸ、Ｙ、Ｚ、ＸとＹ、ＸとＺ、ＹとＺ、またはＸ、ＹおよびＺのいずれか（すなわちＸ、Ｙ、Ｚの任意の組み合わせ）であることを伝えるための、通常使用される文脈で理解される。従って、そのような接続用語は、特に示唆されていない限り、通常、ある実施形態において、Ｘの少なくとも1つ、Ｙの少なくとも１つ、およびＺの少なくとも１つがそれぞれ存在する必要があることを意図するものではない。
【0086】
各種一例の実施形態で示される装置の構成および配置は、単なる一例であり、特性を限定するものではないことに留意することが重要である。記載された実施形態の思想および／または範囲内にある全ての改変および変更は、保護されることが望ましい。いくつかの特徴は、必要ではない場合があり、各種特徴のない実施形態が本願の範囲内として考慮されてもよく、範囲は、添付の特許請求の範囲により定められることが理解される必要がある。「一部」という言語が使用される場合、特に逆のことが記載されていない限り、事項は、該事項の一部および／または全体を含むことができる。
【0087】
本開示では、いくつかの実施形態のみについて詳細に説明したが、本開示をレビューする当業者には、本願に記載の主題の新たな教示および利点から実質的に逸脱することなく、多くの変更（例えば、各種素子のサイズ、寸法、構造、形状、割合、パラメータの値、取り付けの配置、材料の使用、色、配向等の変更）が可能であることが容易に理解される。例えば、素子の配置は、反転されても変更されてもよく、個別の素子の数または配置の性質は、変化し、変更されてもよい。任意の方法ステップの順番は、別の実施形態により変更されても、再順序付けされていてもよい。本開示の範囲から逸脱することなく、各種一例としての実施形態の設計、動作条件、および配置において、他の置換、修正、変更、および省略が行われてもよい。
【符号の説明】
【0088】
２００ 半導体レーザ素子
２０２ 第１のリング共振器
２０４ 第２のリング共振器
２０６ 出力導波路
２０８ 直線部
２１０ 曲線部
２１２ 一様な導波路
２１４ ＤＦＢ導波路
２１６ 結合領域
２０２ 第１のリング共振器
２０４ 第２のリング共振器
２０６ 出力導波路
２０８ 直線部
２１０ 曲線部
２１２ 一様な導波路
２１４ ＤＦＢ導波路
２１６ 結合領域
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図7F】
【図7G】
【図7H】
【図7I】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【外国語明細書】