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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-30
(45)【発行日】2024-09-09
(54)【発明の名称】半導体レーザおよび光デバイス
(51)【国際特許分類】
H01S 5/183 20060101AFI20240902BHJP
H01S 5/14 20060101ALI20240902BHJP
【ＦＩ】
H01S5/183
H01S5/14
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2020148861
(22)【出願日】2020-09-04
(65)【公開番号】P2022043541
(43)【公開日】2022-03-16
【審査請求日】2023-08-04
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発／次々世代加工に向けた新規光源・要素技術開発／高出力・高ビーム品質動作を可能とする新型面発光レーザの研究開発」、 平成２８年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業（ＡＣＣＥＬ）、「スローライト構造体を利用した非機械式ハイレゾ光レーダーの開発」、「短・中距離用ＴＯＦ方式光レーダー要素開発」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(74)【代理人】
【識別番号】100109047
【弁理士】
【氏名又は名称】村田 雄祐
(74)【代理人】
【識別番号】100109081
【弁理士】
【氏名又は名称】三木 友由
(74)【代理人】
【識別番号】100133215
【弁理士】
【氏名又は名称】真家 大樹
(72)【発明者】
【氏名】小山 二三夫
(72)【発明者】
【氏名】中濱 正統
(72)【発明者】
【氏名】顧 暁冬
(72)【発明者】
【氏名】アーメッド ハッサン
【審査官】右田 昌士
(56)【参考文献】
【文献】特表２００５－５３８５３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０６４８３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／１４６３２１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０３７４９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０２０－５０６５２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１１１１２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０７４３６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１１１４７８１８０（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０４９１８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／１５０３８２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０２０－１４１０９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００７／０２９０１９１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】小山二三夫，新時代を切り拓くナノレーザー 微小共振器面発光レーザーと集積化技術，OPTRONICS，日本，株式会社オプトロニクス社，2016年，Vol.35 No.411，p.68-75
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造を備え、レーザ光が前記ＶＣＳＥＬ構造内で垂直方向に多重反射してスローライトモード波が形成され、前記スローライトモード波が前記ＶＣＳＥＬ構造の水平第１方向に往復可能であり、前記ＶＣＳＥＬ構造の表面からビームを出射し、
前記ＶＣＳＥＬ構造の前記スローライトモード波に対する有効屈折率が、前記第１方向に関して周期的に変化することを特徴とする半導体レーザ。
【請求項2】
前記ＶＣＳＥＬ構造の前記第１方向における実質的に中央に、位相シフト領域が形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項3】
前記第１方向に対して、複数の前記位相シフト領域が形成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項4】
前記ＶＣＳＥＬ構造の表面側に形成される回折格子をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項5】
前記回折格子の格子パターンの断面形状および平面形状の少なくとも一方は、各格子パターンを平面視したときの中央での前記回折格子による反射率が高くなるように設計されることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項6】
前記回折格子の格子パターンの厚みは、前記ＶＣＳＥＬ構造の前記第１方向と垂直な水平第２方向に変化することを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項7】
前記回折格子の格子パターンの幅は、前記ＶＣＳＥＬ構造のアパーチャの中央において広く、アパーチャの両端において狭いことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項8】
前記回折格子を挟み込むように、前記ＶＣＳＥＬ構造のアパーチャの境界に沿って追加のパターンが形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項9】
前記回折格子は、回折次数が異なる複数の領域を含むことを特徴とする請求項４から８のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項10】
前記ＶＣＳＥＬ構造のアパーチャ幅が周期的に変化することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項11】
前記ＶＣＳＥＬ構造の一端と隣接して、上面が高反射ミラーで覆われ、かつ電流注入されない終端領域が形成されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項12】
請求項１から１１のいずれかに記載の半導体レーザと、前記半導体レーザの上面を覆う高反射ミラーと、
前記半導体レーザに対し前記第１方向に結合された光増幅器と、
を備え、
前記光増幅器は、前記半導体レーザの前記ＶＣＳＥＬ構造と連続するＶＣＳＥＬ構造を含み、前記半導体レーザと電気的に絶縁され、前記光増幅器の前記ＶＣＳＥＬ構造の表面からビームを出射することを特徴とする光デバイス。
【請求項13】
請求項１から１１のいずれかに記載の半導体レーザと、前記半導体レーザの上面を覆う高反射ミラーと、
前記半導体レーザに対し前記第１方向に結合されたビーム掃引デバイスと、
を備え、
前記ビーム掃引デバイスは、前記半導体レーザの前記ＶＣＳＥＬ構造と連続するＶＣＳＥＬ構造を含み、前記ビーム掃引デバイスの前記ＶＣＳＥＬ構造の表面からビームを出射することを特徴とする光デバイス。
【請求項14】
請求項１から１１のいずれかに記載の半導体レーザと、前記半導体レーザの上面を覆う第１高反射ミラーと、
前記半導体レーザに対し前記第１方向に結合された変調器と、
を備え、
前記変調器は、前記半導体レーザの前記ＶＣＳＥＬ構造と連続するＶＣＳＥＬ構造を含み、前記半導体レーザと電気的に絶縁され、前記変調器の前記ＶＣＳＥＬ構造の表面からビームを出射することを特徴とする光デバイス。
【請求項15】
請求項１から１１のいずれかに記載の半導体レーザと、
前記半導体レーザの上面を覆う第１高反射ミラーと、
前記半導体レーザに対し前記第１方向に結合され、前記半導体レーザの前記ＶＣＳＥＬ構造と連続するＶＣＳＥＬ構造を含み、前記半導体レーザと電気的に絶縁される変調器と、
前記変調器の上面を覆う第２高反射ミラーと、
前記変調器に対し前記第１方向に結合された出射領域と、
を備え、
前記出射領域は、前記変調器の前記ＶＣＳＥＬ構造と連続するＶＣＳＥＬ構造を含み、前記変調器と電気的に絶縁され、
前記出射領域の前記ＶＣＳＥＬ構造の表面からビームを出射することを特徴とする光デバイス。
【請求項16】
請求項１から１１のいずれかに記載の半導体レーザと、前記半導体レーザに対し前記第１方向に結合された外部共振器と、
を備え、
前記外部共振器は、
前記半導体レーザの前記ＶＣＳＥＬ構造と連続し、電気的に絶縁されたＶＣＳＥＬ構造と、
前記ＶＣＳＥＬ構造の上面を覆う高反射率ミラーと、
含むことを特徴とする光デバイス。
【請求項17】
請求項１から１１のいずれかに記載の半導体レーザと、前記半導体レーザの上面とエアギャップを隔てて形成され、前記エアギャップの長さが制御可能であるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーと、
を備えることを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、面発光型半導体レーザに関し、特にその高速化あるいは高出力化に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、面発光レーザの単一波長出力は、ｍＷレベルに制限されてきた。ワット級高出力動作が可能になれば、光断層像（OCT：Optical Coherence Tomography）用の波長掃引用光源、中長距離光通信用光源、自動車、ドローン、ロボットなどに搭載されるレーザレーダー（LIDAR）用光源、監視システム、製造現場での自動検査装置、プリンタのレーザ乾燥器など様々な応用展開が可能になる。
【0003】
端面発光型レーザは、端面破壊によって出力が制限される。高出力化のために、複数の端面発光型レーザをアレイ状に集積化する技術が提案されている（非特許文献１，２）。アレイ化による高出力化では、個々の端面発光型レーザの波長、位相は揃っていない（インコヒーレント）ため、ビーム品質が劣化するという問題がある。
【0004】
ＶＣＳＥＬレーザを大口径化することにより高出力化を図る技術も提案されている（非特許文献３）。しかしながらこの場合も、アレイ化によるインコヒーレンスの問題は解決できず、ビーム品質の劣化は避けられない。
【0005】
別のアプローチとして、フォトニック結晶レーザによる高出力化も提案されている（特許文献１）。この技術は、サブミクロンの微細加工技術が必要であり、また、再成長などの特殊なプロセスが必要であるため、従来の半導体レーザの製造プロセスによる製造が困難である。また、大面積化した場合に、熱分布の不均一性により、ビーム品質が劣化する。
【0006】
特許文献２は、スローライト面発光レーザ増幅器を開示する。この増幅器を用いると、高出力かつ高ビーム品質のレーザ光を生成できるが、数ｍＷ以上の単一波長の種光源が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特許第６０８０９４１号公報
【文献】国際公開ＷＯ２０１７／１５０３８２Ａ１号
【非特許文献】
【0008】
【文献】菅 博文，「ＬＤ光源の高出力化の現状と将来動向」、２６８～２７２頁，レーザ研究、２００８年５月、
【文献】ジェフ・ヘクト，「高出力レーザダイオードの高輝度化」、２２～２４頁，Laser Focus World Japan 2012.1,
【文献】ホルジャー・メンヒ，「ＶＣＳＥＬアレイは３Ｄセンシング向け最先端の光」、４０～４１頁，Laser Focus World Japan 2018.3,
【文献】中野 義昭，「ＧａＡｓ系分布帰還型半導体レーザとその縦モード制御」，１５５４～１５７３頁、応用物理 第５８巻 第１１号（１９８９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、高ビーム品質で高出力なレーザ装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
一実施形態に係る半導体レーザは、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造を備え、レーザ光がＶＣＳＥＬ構造内で垂直方向に多重反射してスローライトモード波が形成され、スローライトモード波がＶＣＳＥＬ構造の水平方向に往復可能であり、ＶＣＳＥＬ構造のスローライトモード波に対する有効屈折率が、スローライトモード波の伝搬方向に関して周期的に変化する。
【0011】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0012】
一実施形態によれば、高ビーム品質かつ高出力な半導体レーザを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】実施形態に係る基本構成を示す図である。
【図2】スローライトモード波に対する有効屈折率ｎｅｆｆを説明する図である。
【図4】位相シフト領域の効果を説明する図である。
【図6】実施形態に係る半導体レーザを示す図である。
【図7】回折格子のピッチｄと縦モード間隔の関係を示す図である。
【図8】ネットゲイン差のデバイス長依存性を示す図である。
【図10】放射角θｍの計算結果を示す図である。
【図11】実際に作成した半導体レーザのサンプルの放射角θｍの測定結果を示す図である。
【図14】格子の深さと回折効率の関係（計算結果）を示す図である。
【図15】回折格子の設計例を示す図である。
【図16】回折効率のデューティサイクルの依存性を示す図である。
【図17】格子パターンを示す平面図である。
【図19】変形例に係る回折格子を示す図である。
【図21】変形例に係る半導体レーザの平面図である。
【図22】一実施例に係る光デバイスを示す図である。
【図23】一実施例に係る光デバイスを示す図である。
【図24】一実施例に係る光デバイスを示す図である。
【図25】一実施例に係る光デバイスを示す図である。
【図26】一実施例に係る光デバイスを示す図である。
【図27】一実施例に係る光デバイスを示す図である。
【図28】一実施例に係る光デバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。
【0015】
一実施形態に係る半導体レーザは、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造を備え、レーザ光がＶＣＳＥＬ構造内で垂直方向に多重反射してスローライトモード波が形成され、スローライトモード波がＶＣＳＥＬ構造の水平方向に往復可能である。ＶＣＳＥＬ構造のスローライトモード波に対する有効屈折率は、スローライトモード波の伝搬方向に関して周期的に変化する。
【0016】
一般に、ＶＣＳＥＬ構造を長尺化すると、高出力化と引き換えに、縦モードの数が増えてしまう。これに対して、一実施形態によると、スローライトモード波が、その伝搬方向にＤＦＢ（Distributed Feedback）効果を受け、波長選択が実現できる。これにより、ＶＣＳＥＬ構造を長尺化しても、単一モード（単波長）あるいはそれに準ずる少ない縦モードでの発振を実現できる。
【0017】
一般的なＤＦＢレーザでは、屈折率の分布方向と、レーザ光の伝搬方向が一致している。これに対して、上記構造では、屈折率の分布方向が、スローライトモード波の伝搬方向と一致する。水平方向に伝搬するスローライトモード波に対する有効屈折率は、レーザ光に対する有効屈折率よりも小さいため、上記構造では、ＤＦＢレーザに比べて、有効屈折率の周期（ピッチ）を大きくすることができる。これにより、ＤＦＢレーザに比べて、製造が容易となる。
【0018】
ＶＣＳＥＬ構造の伝搬方向における実質的に中央に、位相シフト領域が形成されてもよい。位相シフト領域を設けることで、ストップバンドの両端の隣接縦モードでの発振を抑制し、ストップバンドの中央の波長での発振を促すことができ、単一モード性を高めることができる。
【0019】
伝搬方向に対して、複数の位相シフト領域が形成されてもよい。これにより、光強度の分布を平均化できる。
【0020】
一実施形態において、半導体レーザは、ＶＣＳＥＬ構造の表面側に形成される回折格子をさらに備えてもよい。この構成では、回折格子によって、有効屈折率の周期的変化を導入できる。
【0021】
回折格子の格子パターンの断面形状および平面形状の少なくとも一方は、各格子パターンを平面視したときの中央での回折格子による反射率が高くなるように設計されてもよい。これにより基本横モードを選択することができ、ビーム品質を改善できる。
【0022】
一実施形態において、回折格子の格子パターンの厚みは、ＶＣＳＥＬ構造の幅方向に変化してもよい。
【0023】
一実施形態において、回折格子の格子パターンの幅は、ＶＣＳＥＬ構造のアパーチャの中央において広く、アパーチャの両端において狭くてもよい。
【0024】
一実施形態において、回折格子を挟み込むように、ＶＣＳＥＬ構造のアパーチャの境界に沿って追加のパターンが形成されてもよい。
【0025】
一実施形態において、回折格子は、回折次数が異なる複数の領域を含んでもよい。これにより、加工・製造が容易な高次の回折格子を組み合わせて、バーニア効果によって所望の波長を選択的に発振させることができる。
【0026】
一実施形態において、ＶＣＳＥＬ構造のアパーチャ幅が周期的に変化してもよい。この構成では、アパーチャ幅の周期的な変化によって、有効屈折率の周期的変化を導入できる。
【0027】
一実施形態において、ＶＣＳＥＬ構造の一端と隣接して、上面が高反射ミラーで覆われ、かつ電流注入されない終端領域が形成されてもよい。これにより、ＶＣＳＥＬ構造の表面から、一方向にビームを出射させることができる。
【0028】
一実施形態において、光デバイスは、上述のいずれかの半導体レーザと、半導体レーザの上面を覆う高反射ミラーと、半導体レーザと横方向に結合された光増幅器と、を備えてもよい。光増幅器は、半導体レーザのＶＣＳＥＬ構造と連続するＶＣＳＥＬ構造を含み、半導体レーザと電気的に絶縁される。この構成では、半導体レーザにおいて、高品質、高出力なシード光を発生し、光増幅器においてシード光を増幅することで、高品質化、高出力化を図ることができる。
【0029】
一実施形態において、光デバイスは、上述のいずれかの半導体レーザと、半導体レーザの上面を覆う高反射ミラーと、半導体レーザと横方向に結合されたビーム掃引デバイスと、を備えてもよい。ビーム掃引デバイスは、半導体レーザのＶＣＳＥＬ構造と連続するＶＣＳＥＬ構造を含む。この構成では、ビーム掃引デバイスから出射されるビームの方向をスキャンすることができる。
【0030】
一実施形態において、光デバイスは、上述のいずれかの半導体レーザと、半導体レーザの上面を覆う第１高反射ミラーと、半導体レーザと横方向に結合された変調器と、を備えてもよい。変調器は、半導体レーザのＶＣＳＥＬ構造と連続するＶＣＳＥＬ構造を含み、半導体レーザと電気的に絶縁される。この構成によれば、高出力なレーザ光を、時間的に高速に変調することができる。
【0031】
一実施形態において、光デバイスは、変調器の上面を覆う第２高反射ミラーと、変調器と横方向に結合された出射領域と、をさらに備えてもよい。出射領域は、変調器のＶＣＳＥＬ構造と連続するＶＣＳＥＬ構造を含み、変調器と電気的に絶縁される。変調器からではなく、それと隣接する出射領域からビームを取り出すことで、より高い消光比を実現できる。
【0032】
一実施形態において、光デバイスは、半導体レーザと、半導体レーザと横方向に結合された外部共振器と、を備える結合共振器スローライトレーザであってもよい。外部共振器は、半導体レーザのＶＣＳＥＬ構造と連続し、電気的に絶縁されたＶＣＳＥＬ構造と、ＶＣＳＥＬ構造の上面を覆う高反射率ミラーと、含んでもよい。これにより、高出力、高い単一モード安定性、高い変調速度などを実現できる。
【0033】
一実施形態において光デバイスは、半導体レーザと、半導体レーザの上面とエアギャップを隔てて形成され、エアギャップの長さが制御可能であるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーと、を備えてもよい。
【0034】
（実施形態）
以下、本発明を好適な実施形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
以下、本発明を好適な実施形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【0035】
（基本構成）
図１は、実施形態に係る基本構成を示す図である。半導体レーザ１００は、基板１０２およびＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造１１０を備える面発光レーザである。ＶＣＳＥＬ構造１１０は、コア（ゲイン領域）１１２を、下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層１１６および上部ＤＢＲ層１１８により挟み込んだ積層構造を有する。コア１１２は、活性層１１３および酸化狭窄層１１４を含む。酸化狭窄層１１４によって、アパーチャ１２０の幅Ｗａｐが規定される。
図１は、実施形態に係る基本構成を示す図である。半導体レーザ１００は、基板１０２およびＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造１１０を備える面発光レーザである。ＶＣＳＥＬ構造１１０は、コア（ゲイン領域）１１２を、下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層１１６および上部ＤＢＲ層１１８により挟み込んだ積層構造を有する。コア１１２は、活性層１１３および酸化狭窄層１１４を含む。酸化狭窄層１１４によって、アパーチャ１２０の幅Ｗａｐが規定される。
【0036】
半導体レーザ１００は、ＶＣＳＥＬ構造１１０の上面と接続される電極１２２と、ＶＣＳＥＬ構造１１０の底面と接続される電極１２４と、を含む。電極１２２と１２４の間に図示しない駆動回路を接続し、ＶＣＳＥＬ構造１１０のコア１１２に電流を注入すると、上部ＤＢＲ層１１８および上部ＤＢＲ層１１６の間で、レーザ光２がＶＣＳＥＬ構造１１０内で垂直方向（ｚ方向）に多重反射し、水平方向（ＶＣＳＥＬ構造１１０の長尺方向、すなわちｘ方向）にゆっくりと伝搬するスローライトモード波４が形成される。このスローライトモード波４は、ＶＣＳＥＬ構造１１０の端部において折り返され、水平方向（ｘ方向）に往復し、増幅される。そしてレーザ光２の一部は、出射光６として、ＶＣＳＥＬ構造１１０の上面のアパーチャ１２０から出射される。
【0037】
図２は、スローライトモード波４に対する有効屈折率ｎｅｆｆを説明する図である。
【0038】
右向きのスローライトモード波４を考える。波長λのレーザ光２の波数ベクトルｋは、式（１）で表される。
ｋ＝２πｎｍ／λ …（１）
ｋ＝２πｎｍ／λ …（１）
【0039】
また、ＶＣＳＥＬ構造１１０の垂直方向（ｚ方向）に安定である共振波長（カットオフ波長ともいう）をλｃとするとき、共振波長λｃに関する波数ベクトルｋｃは、式（２）で表される。
ｋｃ＝２πｎｍ／λｃ …（２）
ｋｃ＝２πｎｍ／λｃ …（２）
【0040】
スローライトモード波についても、波数ベクトルに相当するスローライト伝搬定数βＳＬを観念することができ、有効屈折率ｎｅｆｆを用いて、式（３）で表される。
βＳＬ＝２πｎｅｆｆ／λ …（３）
βＳＬ＝２πｎｅｆｆ／λ …（３）
【0041】
また３つの波数ベクトルに関して、式（４）が成り立つ。
ｋ２＝ｋｃ２＋βＳＬ ２ …（４）
ｋ２＝ｋｃ２＋βＳＬ ２ …（４）
【0042】
式（１）～（３）を式（４）に代入して整理すると、式（５）を得る。
ｎｅｆｆ＝ｎｍ×√（１－（λ／λｃ）２） …（５）
これがスローライトモード波に対する有効屈折率である。
ｎｅｆｆ＝ｎｍ×√（１－（λ／λｃ）２） …（５）
これがスローライトモード波に対する有効屈折率である。
【0043】
レーザ光２の入射角をθｉ、出射角をθｒとすると、式（６）が成り立つ。
ｓｉｎθｒ＝ｎｍｓｉｎθｉ …（６）
ｓｉｎθｒ＝ｎｍｓｉｎθｉ …（６）
【0044】
また、式（７）が成り立つ。
ｓｉｎθｉ＝βＳＬ／ｋ …（７）
ｓｉｎθｉ＝βＳＬ／ｋ …（７）
【0045】
式（５）～（７）より、出射角θｒは式（８）を満たす。
ｓｉｎθｒ＝ｎｍ√（１－（λ／λｃ）２） …（８）
ｓｉｎθｒ＝ｎｍ√（１－（λ／λｃ）２） …（８）
【0046】
図１に戻る。本実施形態において、ＶＣＳＥＬ構造１１０のスローライトモード波４に対する有効屈折率ｎｅｆｆは、スローライトモード波４の伝搬方向（ｘ方向）に関して周期的に変化する。たとえば、有効屈折率ｎｅｆｆは、第１の値ｎｅｆｆ１と第２の値ｎｅｆｆ２を交互に繰り返し、屈折率変化の周期（ピッチ）をΛとする。
【0047】
有効屈折率ｎｅｆｆの周期構造は、積層構造によって設計することができ、主なパラメータは、コア１１２、下部ＤＢＲ層１１６、上部ＤＢＲ層１１８、共振波長調整層（不図示）の材料、厚さ、アパーチャ幅Ｗａｐなどが例示される。
【0048】
ＶＣＳＥＬ構造１１０の伝搬方向における中央に、位相シフト領域１３０が形成されてもよい。位相シフト領域１３０では、屈折率変化のピッチΛに、λ／４の奇数倍の長さ（λ／４×（２ｎ－１）、ｎは自然数）の位相シフトが与えられてもよい。
【0049】
以上が半導体レーザ１００の構成である。続いてその動作を説明する。
【0050】
半導体レーザ１００の基本構成は、ＤＢＲで量子井戸を挟んだ通常のＶＣＳＥＬの類似構造である。通常の導波路と異なり、この半導体レーザ１００においては波数ベクトル（伝搬定数βＳＬ）が、レーザ光２の波数ベクトルｋに垂直に近い低群速度の漏れ導波モード（スローライトモード）を保持することができ、スローライトモード波４が図中、右方向および左方向に往復しながら導波する。図２から分かるように、半導体レーザ１００の出射光は、右向きのスローライトモード波４と、左向きのスローライトモード波４で、対称な方向に射出される。
【0051】
図３（ａ）、（ｂ）は、半導体レーザ１００における単一縦モード化を説明する図である。
【0052】
有効屈折率ｎｅｆｆの周期構造を導入しない場合、図３（ａ）に示すように、ネットゲインが最大となる波長の近傍において、複数の縦モードが同時に発振する。特にＶＣＳＥＬ構造１１０を長尺化すると、高出力化と引き換えに、縦モードの数（発振波長の数）が増えてしまう。
【0053】
これに対して、図１の半導体レーザ１００では、導波路方向（ｘ方向）について、スローライトモード波４に対する有効屈折率ｎｅｆｆを周期的に変化させることで、スローライトモード波４が、その伝搬方向にＤＦＢ（Distributed Feedback）効果を受ける。これにより、図３（ｂ）に示すように、ストップバンド外の縦モードは充分なネットゲインが得られず、一方でストップバンド内の唯一の縦モードは充分なネットゲインを得られるので、単一モード発振が可能となる。これにより、ＶＣＳＥＬ構造を長尺化しても、単一モードあるいはそれに準ずる少ない縦モードでの発振を実現でき、高出力化と単一モード化を両立できる。なお、ストップバンドは、周期構造に応じて設計することができ、共振波長（カットオフ波長）λｃから離れた波長を選択することができる。
【0054】
図４は、位相シフト領域１３０の効果を説明する図である。図４の左側は広い波長範囲を示し、図４の右側には、ストップバンド内を波長方向に拡大したスペクトルを示す。ストップバンド内には、複数の隣接縦モードが含まれる。位相シフト領域１３０を設けない場合、中央の発振モードが得られず、ストップバンドの両端の隣接縦モードで発振する。これに対して、位相シフト領域１３０を設けることにより、図４の右側に示すように、ストップバンドの両端の隣接縦モードでの発振を抑制し、ストップバンドの中央の発振モードでの発振を促すことができ、より単一モード性を高めることができる。
【0055】
続いて半導体レーザ１００の遠視野像について説明する。図５（ａ）～（ｃ）は、半導体レーザの遠視野像を示す図である。横軸は出射角θｒを、縦軸は放射強度を示す。図５（ａ）は、周期構造を有しないＶＣＳＥＬの遠視野像を示す。周期構造を形成しない場合、出射されるビームは垂直近辺（θ＝０）およびゲインスペクトルピーク近傍に相当する角度に分布する。
【0056】
これに対して周期構造を形成して単一モード化すると、図５（ｂ）に示すように、複数次の回折光が出射される。
【0057】
なお、周期構造や半導体レーザ１００の周辺構造を最適することにより、図５（ｃ）に示すように、一方向性の放射パターンも実現可能である。
【0058】
図１の半導体レーザ１００は、一般的なＤＦＢレーザに比べて、製造が容易であるという利点を有する。この点を説明する。
【0059】
一般的なＤＦＢレーザは、屈折率の分布方向と、レーザ光の伝搬方向が一致しているため、ストップバンドの中心波長λｍと、周期構造のピッチΛの間には、式（９）が成り立つ。
λｍ＝２・Λ・ｎ／ｍ …（９）
ｍ＝１、λｍ＝８５０ｎｍ、ｎ＝２．３５とした場合、Λ＝０．１μｍ程度となり、微細構造を形成する必要がある。
λｍ＝２・Λ・ｎ／ｍ …（９）
ｍ＝１、λｍ＝８５０ｎｍ、ｎ＝２．３５とした場合、Λ＝０．１μｍ程度となり、微細構造を形成する必要がある。
【0060】
これに対して、スローライトモード波を利用した半導体レーザ１００では、ストップバンドの中心波長λｍと、周期構造のピッチΛの間には、式（１０）が成り立つ。
λｍ＝２・Λ・ｎｅｆｆ／ｍ …（１０）
ｍは回折次数を表す。
λｍ＝２・Λ・ｎｅｆｆ／ｍ …（１０）
ｍは回折次数を表す。
【0061】
スローライトモード波に対する有効屈折率ｎｅｆｆは、レーザ光に対する屈折率ｎよりも小さいため、同じストップバンドの中心波長λｍを得るために必要なピッチΛは、図１の半導体レーザ１００では、通常のＤＦＢレーザに比べて有効屈折率のピッチΛを大きくすることができる。具体的には、図１の半導体レーザ１００では、周期構造のピッチΛを、通常のＤＦＢレーザの２倍以上に、より好適な例では５倍（０．５ミクロン）程度まで拡大することができる。半導体レーザ１００は、通常のＤＦＢレーザのような微細構造が必要とされないため、通常のスパッタ・リソグラフィでの製造が可能である。
【0062】
本開示は、図１の基本構成から把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。
【0063】
図６は、実施形態に係る半導体レーザ１００Ａを示す図である。ＶＣＳＥＬ構造１１０の上面には、複数の格子パターン１４２を含む回折格子１４０が形成されており、この回折格子１４０によって、上述の有効屈折率ｎｅｆｆの周期構造が導入される。格子パターン１４２のピッチはｄである。中央付近の格子パターン１４４は、他の格子パターン１４２とサイズが異なっており、図１の位相シフト領域１３０として機能する。
【0064】
以上が半導体レーザ１００Ａの構成である。図７は、回折格子１４０のピッチｄと縦モード間隔の関係を示す図である。ストップバンドの中心波長は、式（１０）で与えられ、回折格子１４０のピッチｄ（＝Λ）を小さくするほど、縦モード間隔（ストップバンドの間隔）は広くなる。ピッチｄは、利得帯域中に、１本の縦モードが含まれるように設計すればよい。
【0065】
図８は、ネットゲイン差のデバイス長依存性を示す図である。ネットゲイン差は、ストップバンドの中央の縦モード（図４の発振モード）と、隣接縦モードのゲインの差である。横軸はデバイス長Ｌであり、アパーチャ１２０のｘ方向の長さに相当する。
【0066】
次数をｍ＝２，４，８，１６，２０とし、ｋＬ＝２となるように、デバイス長Ｌを選択して計算した。この結果から、Ｌ＞３ｍｍの長尺化されたデバイスであっても、１０ｃｍ－１の利得差が得られており、長尺かつ単一モードの発振が可能であることが分かる。
【0067】
図９は、図６の半導体レーザ１００Ａのビームの出射方向を説明する図である。ｍ次の回折光の出射方向をθｍと表記する。スローライトモード波の波長をλＳＬ、共振波長をλｃとする。回折格子１４０より下側の導波路側（ＶＣＳＥＬ構造１１０の内部）の屈折率はｎｗｇであり、回折格子１４０より上側の屈折率はｎ’とすると、以下の関係式が成り立つ。
ｎ’ｓｉｎθｍ－ｎｗｇｓｉｎθｉ＝λＳＬ・ｍ／ｄ
ｍ＝０，±１，±２，・・・
ｃｏｓθｉ＝λＳＬ／λｃ
ｎ’ｓｉｎθｍ－ｎｗｇｓｉｎθｉ＝λＳＬ・ｍ／ｄ
ｍ＝０，±１，±２，・・・
ｃｏｓθｉ＝λＳＬ／λｃ
【0068】
図１０は、放射角θｍの計算結果を示す図である。計算では、λｃ＝８７１ｎｍ、ｎｗｇ＝３．５、ｎ’＝１、ｄ＝５μｍとした。
【0069】
【0070】
続いて、回折格子１４０の構成について説明する。回折格子１４０の格子パターンは、高屈折率材料をエッチングにより形成してもよいし、低屈折率材料をその反転パターンで形成してもよいし、または表面にグルーブを形成してもよい。
【0071】
図１２（ａ）～（ｄ）は、回折格子１４０の構成例を示す図である。図１２（ａ）、（ｂ）では、回折格子１４０を形成する格子パターン１４２は凸に形成される。図１２（ａ）では、格子パターン１４４の幅を太くすることで、位相シフト領域１３０が形成される。図１２（ｂ）では、格子パターン１４２と格子パターン１４２の間隔を、一部だけ拡大することにより、位相シフト領域１３０が形成される。
【0072】
図１２（ｃ）、（ｄ）では、回折格子１４０を形成する格子パターン１４２は凹に形成される。図１２（ｃ）では、格子パターン１４４の幅を太くすることで、位相シフト領域１３０が形成され、図１２（ｄ）では、格子パターン１４２と格子パターン１４２の間隔を一部だけ拡大することにより、位相シフト領域１３０が形成される。
【0073】
図１３（ａ）、（ｂ）は、回折格子１４０の構成例を示す断面図である。図１３（ａ）の例では、上部ＤＢＲ層１１８の最上層の膜１１８ａ（たとえばＧａＡｓ層）に格子パターン１４２（１４４）を形成することにより、回折格子１４０が形成される。膜１１８ａの上側には、ＳｉＯｘあるいはＳｉＮｘ膜などの誘電体膜１１９を保護膜として形成してもよい。あるいは誘電体膜１１９を省略して空気としてもよい。
【0074】
図１３（ｂ）の例では、上部ＤＢＲ層１１８の上側に、ＳｉＮｘあるいはＳｉＯｘなどの誘電体膜１１７ａが追加され、誘電体膜１１７ａに格子パターン１４２が形成される。回折格子１４０が、保護膜に形成される。誘電体膜１１７ａと上部ＤＢＲ層１１８の間には、ＳｉＮｘあるいはＳｉＯｘなどの誘電体膜（バッファ層）１１７ｂを挿入してもよい。
【0075】
回折格子１４０の形成には、ドライエッチング、ウェットエッチング、ナノインプリント、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）などを用いることができる。また格子パターン１４２，１４４の形状としては、矩形の他、半円、正弦波、三角、ブレーズドグレーティングなどを採用することも可能である。
【0076】
図１４は、格子の深さと回折効率の関係（計算結果）を示す図である。計算は、図１３（ａ）に示すように、ＧａＡｓ層をエッチングして回折格子１４０を形成する場合について行った。回折格子のデューティサイクル（凹部と凸部の長さの比）は５０％である。横軸はエッチング深さであり、０次、１次、２次の回折効率が示される。
【0077】
この計算結果から、エッチング深さをパラメータとして、任意の回折次数ｍを選択することが可能であることがわかる。一例として２０ｎｍ程度のエッチング深さでは、０次の回折光が支配的であるが、より深くエッチングするとその割合は低下し、１次の回折光の割合が増加する。
【0078】
図１５は、回折格子の設計例を示す図である。深さＤは６０ｎｍ、デューティサイクルは５０％としている。周期ｄは、１次の回折格子では５００ｎｍ、２次の回折格子では１０００ｎｍ、３次の回折格子では１５００ｎｍ、４次の回折格子では２０００ｎｍである。なお、位相シフト領域１３０に対応する格子パターン１４４の長さＬｓｈｉｆｔは、１次、３次、４次ではλ／４となるが、２次のように、λ／４とは異なる値を取る場合もありうる。
【0079】
図１６は、回折効率のデューティサイクルの依存性を示す図である。Ｄ＝２０ｎｍの浅い格子深さであれば、いずれの次数であっても０次回折光効率のデューティサイクル依存性は低く、かついずれのデューティサイクルにおいても高次の回折光は抑圧されていることが分かる。
【0080】
続いて、回折格子１４０に関連する実施例、変形例を説明する。
【0081】
図１７は、格子パターンを示す平面図である。図１７には、格子パターンのいくつかのバリエーションが示される。ＰＴＮ１は一般的な矩形である。ＰＴＮ２やＰＴＮ３は菱形あるいは楕円形であり、アパーチャ中央ほど幅が広い形状としてもよい。ＰＴＮ４では矩形の格子パターンを挟むようにして、アパーチャの境界に、スローライトモード波の伝搬法方向に伸びる追加のパターンが形成される。
【0082】
形状ＰＴＮ２～ＰＴＮ４によれば、各格子パターンを平面視したときの中央での回折格子による反射率が高くなる。これにより、中心の電界強度が大きい基本横モードの反射率が大きくなるため，基本横モードを選択することができ、単一横モード性を高めることができる。
【0083】
また形状ＰＴＮ２～ＰＴＮ４を採用すると、矩形のパターンＰＴＮ１を用いた場合に比べてアパーチャ幅を広くすることができる。アパーチャ幅の拡大は、高出力化に貢献する。
【0084】
図１８（ａ）、（ｂ）は、格子パターンの断面形状を示す図である。図１８（ａ）に示すように、凹に形成される格子パターン１４２（１４４）において、その厚み（深さ）は、ＶＣＳＥＬ構造１１０の幅方向（ｙ方向）に関して変化してもよい。具体的には、幅方向の中央において厚みが最も大きく、両端ほど厚みが薄くなっている。
【0085】
図１８（ｂ）に示すように、凸に形成される格子パターン１４２（１４４）においても、その厚み（高さ）は、ＶＣＳＥＬ構造１１０の幅方向（ｙ方向）に関して変化してもよい。具体的には、幅方向の中央において厚みが最も大きく、両端ほど厚みが薄くなっている。
【0086】
図１８（ａ）、（ｂ）のように回折格子を形成すると、中心の電界強度分布が大きい基本横モードの回折格子による反射率が大きくなるため，基本横モードを選択することができ、単一横モード性を高めることができる。
【0087】
図１９は、変形例に係る回折格子１４０を示す図である。回折格子１４０は、回折次数が異なる、言い換えると屈折率変化のピッチΛが異なる複数の領域１４０Ａ，１４０２Ｂを含む。複数の領域１４０Ａ，１４０Ｂの境界には、位相シフト領域１３０に相当する格子パターン１４４が形成される。
【0088】
図２０（ａ）～（ｃ）は、図１９の回折格子のスペクトルを説明する図である。図２０（ａ）は、回折格子１４０全体のスペクトル強度を示す。図２０（ｂ）、（ｃ）は、第１領域１４０Ａ、第２領域１４０Ｂそれぞれのスペクトル強度Ｒ１，Ｒ２を示す。第１領域１４０Ａでは、図２０（ｂ）に示すように、利得スペクトルの帯域内において、格子周期Λ１に反比例する波長間隔で、導波可能な複数の縦モードが存在する。一方、第２領域１４０Ｂでは、図２０（ｃ）に示すように、利得スペクトルの帯域内において、格子周期Λ２に反比例する波長間隔で、導波可能な複数の縦モードが存在する。
【0089】
第１領域１４０Ａと第２領域１４０Ｂを含む回折格子１４０全体のスペクトル強度は、第１領域１４０Ａのスペクトル強度Ｒ１と、第２領域１４０Ｂのスペクトル強度Ｒ２の積である。したがっていわゆるバーニア効果によって、第１領域１４０Ａと第２領域１４０Ｂに共通する縦モードが選択される。
【0090】
一般に、回折格子は、格子次数が低いほど、言い換えると格子周期Λが短いほど、製造が困難である。図１９の構成によれば、高い格子次数を有する、つまり格子周期Λが長い複数の領域を組み合わせることで、製造が容易となり、かつ、単一縦モード特性を改善できる。
【0091】
これまでの例では、伝搬方向に対してひとつの位相シフト領域１３０が形成されたが、複数の位相シフト領域を形成してもよい。単一の位相シフト領域を有する構造では、伝搬方向（長手方向）の光の強度が、位相シフト領域近傍で最大となり外側に向かって減衰する分布となる。このため、位相シフト領域近傍で、誘導放出によるキャリア密度が低化する（空間ホールバーニング）が生じ、レーザの効率やビーム品質が悪化する場合がある。それに対して位相シフト領域を複数に分割することで、長手方向の光強度分布を、より平坦化し、これらの問題を緩和できる。
【0092】
続いて、有効屈折率ｎｅｆｆの周期構造の変形例を説明する。これまでの例では、ＶＣＳＥＬ構造１１０の上側に、有効屈折率ｎｅｆｆの周期構造として回折格子１４０を形成したがその限りでない。
【0093】
図２１は、変形例に係る半導体レーザ１００Ｂの平面図である。この半導体レーザ１００Ｂでは、アパーチャ１２０の幅Ｗａｐが、スローライトモード波の導波方向に関して、周期的に変化している。これにより、有効屈折率ｎｅｆｆが周期的に変化することとなる。
【0094】
アパーチャ１２０の幅Ｗａｐを制御するために、メサ幅Ｗｍｅｓａが周期的に変化するメサ構造を形成し、その後に酸化狭窄によりアパーチャ１２０を形成してもよい。これにより、アパーチャ１２０の幅に周期構造を持たせることができる。
【0095】
（複合デバイス・機能デバイス）
半導体レーザ１００は、単体で高出力レーザとして利用することが可能であるが、他のデバイスと集積化することにより、さらに高出力化することが可能であり、あるいは別の機能を追加することができる。以下、こうした複合デバイス、機能デバイスについて説明する。
半導体レーザ１００は、単体で高出力レーザとして利用することが可能であるが、他のデバイスと集積化することにより、さらに高出力化することが可能であり、あるいは別の機能を追加することができる。以下、こうした複合デバイス、機能デバイスについて説明する。
【0096】
図２２は、一実施例に係る光デバイス２００Ａを示す図である。光デバイス２００Ａは、半導体レーザ１００および終端領域２１０を備える。終端領域２１０は、半導体レーザ１００とＶＣＳＥＬ構造１１０が連続しており、横方向（スローライトモード波の導波方向）に光学的に結合されており、電気的に絶縁されている。半導体レーザ１００と終端領域２１０の境界近傍には、絶縁領域２１２が形成される。終端領域２１０の上面は、高反射ミラー（遮蔽構造）２１４で覆わている。高反射ミラー２１４は、誘電体多層膜ミラーであってもよいし、金属ミラーであってもよい。光デバイス２００Ａの動作中、終端領域２１０には、電流は注入されない。
【0097】
上述したように、図６のように表面に回折格子を装荷した半導体レーザ１００は、伝搬方向に対称構造であるため、出射ビームが対称な角度の２つに分かれる。図２２の光デバイス２００Ａのように、半導体レーザ１００の終端に、電流注入を行わず表面を高反射率ミラー２１４で覆った構造を導入することで、終端での反射を抑圧でき、一方向性のビーム出射が可能になる。
【0098】
図２３は、一実施例に係る光デバイス２００Ｂを示す図である。光デバイス２００Ｂは、半導体レーザ１００および光増幅器２２０を備える。半導体レーザ１００と光増幅器２２０は、ＶＣＳＥＬ構造１１０が横方向（スローライトモード波の導波方向）に連続して形成される。光増幅器２２０には、絶縁領域２２２および駆動電極２２４が形成される。半導体レーザ１００の上面は、高反射ミラー１５０で覆われている。高反射ミラー１５０は、誘電体多層膜ミラーであってもよいし、金属ミラーであってもよい。半導体レーザ１００の内部で生成されるスローライトモード波４は、光増幅器２２０に結合される。
【0099】
光増幅器２２０には、半導体レーザ１００において生成された高出力かつ単一縦モードのスローライトモード波４が結合する。光増幅器２２０は、スローライトモード波４を増幅し、さらに高出力な出射光８として出力する。
【0100】
図２４は、一実施例に係る光デバイス２００Ｃを示す図である。この光デバイス２００Ｃは、半導体レーザ１００およびビーム掃引デバイス２３０を備える。ビーム掃引デバイス２３０の構成は、図２３の光増幅器２２０と同様である。半導体レーザ１００は、スローライトモード波４の波長λが制御可能に構成される。波長λを制御するために、ＶＣＳＥＬ構造１１０は、縦方向の共振器長が可変に構成されてもよい。
【0101】
ビーム掃引デバイス２３０の出射ビーム８の出射角θｒは、上述したように式（８）で表される。
ｓｉｎθｒ＝ｎｍ√（１－（λ／λｃ）２） …（再掲８）
λｃは、ビーム掃引デバイス２３０の共振波長である。したがって、スローライトモード波４の波長λを制御することで、出射角θｒを掃引することができる。
ｓｉｎθｒ＝ｎｍ√（１－（λ／λｃ）２） …（再掲８）
λｃは、ビーム掃引デバイス２３０の共振波長である。したがって、スローライトモード波４の波長λを制御することで、出射角θｒを掃引することができる。
【0102】
図２５は、一実施例に係る光デバイス２００Ｄを示す図である。この光デバイス２００Ｄは、半導体レーザ１００および光変調器２４０を備える。半導体レーザ１００と光変調器２４０は、ＶＣＳＥＬ構造１１０が連続しており、横方向に結合されている。光変調器２４０は、絶縁領域２４２および変調用電極２４４を有する。変調用電極２４４を逆バイアスし、駆動電流をスイッチングすることにより、出射ビーム８の強度（オン、オフ）をスイッチングすることができる。
【0103】
図２６は、一実施例に係る光デバイス２００Ｅを示す図である。この光デバイス２００Ｅは、半導体レーザ１００、光変調器２４０、出射領域２５０を備える。半導体レーザ１００、光変調器２４０、出射領域２５０はＶＣＳＥＬ構造１１０が連続しており、横方向に結合される。
【0104】
光変調器２４０の上面は、高反射ミラー２４６により覆われている。光変調器２４０中を導波するスローライトモード波４Ｅの強度は、変調用電極２４４に与える変調信号に応じて変化する。このスローライトモード波４Ｅは、出射領域２５０に結合し、その上面から出射される。出射領域２５０の出射ビーム８の強度は、変調信号に応じてスイッチングする。
【0105】
図２７は、一実施例に係る光デバイス２００Ｆを示す図である。光デバイス２００Ｆは、半導体レーザ１００と、少なくともひとつの外部共振器２６０を備える。この例では、２個の外部共振器２６０が、半導体レーザ１００に対して横方向に光学的に結合され、電気的に絶縁されている。
【0106】
より具体的には、半導体レーザ１００と外部共振器２６０は、それぞれのＶＣＳＥＬ構造１１０が連続して形成される。外部共振器２６０には、絶縁領域２６２が形成され、その上面は、高反射ミラー２６６で覆われている。外部共振器２６０には、フィードバック調整用電極２６４を形成してもよい。
【0107】
半導体レーザ１００に対して、外部共振器２６０を横方向接続することで、結合共振器スローライトレーザーが実現でき、高出力化、高い単一モード安定性、高い変調速度などを実現できる。
【0108】
図２８は、一実施例に係る光デバイス２００Ｇを示す図である。光デバイス２００Ｇは、半導体レーザ１００と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー２７０を備える。ＭＥＭＳミラー２７０は、たとえば誘電体多層膜ミラーであり、半導体レーザ１００の上面側に、エアギャップ２７４を隔てて形成される。ＭＥＭＳミラー２７０の反射率は、１００％より低く設計され、ＭＥＭＳミラー２７０を透過した光６が外部に取り出し可能となっている。
【0109】
たとえば半導体レーザ１００と同一基板上に、犠牲層２７６を形成しておき、犠牲層２７６を部分的に除去することで、エアギャップ２７４を形成してもよい。
【0110】
ＭＥＭＳミラー２７０は、ミラーとアクチュエータの複合デバイスである。ＭＥＭＳミラー２７０には駆動用電極２７２が形成され、駆動信号に応じてエアギャップ２７４の長さ、言い換えると半導体レーザ１００の垂直方向の共振器長が制御可能となっている。
【0111】
通常の波長可変ＭＥＭＳ ＶＣＳＥＬの出力は数ｍＷ以下であるが、上述のスローライトレーザ構造を有する半導体レーザ１００を導入することで，高出力、高い単一モード安定性、大きな連続波長掃引幅などが期待できる。数十ｍＷの出力を実現することで，ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography：光コヒーレンストモグラフィー）などの生体の高空間分解能な断層イメージ測定に適用できる．
【0112】
実施形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【0113】
１００…半導体レーザ、１０２…基板、１１０…ＶＣＳＥＬ構造、１１２…コア、１１３…活性層、１１４…酸化狭窄層、１１６…下部ＤＢＲ層、１１８…上部ＤＢＲ層、１２０…アパーチャ、１２２，１２４…電極、１３０…位相シフト領域、１４０…回折格子、１４２，１４４…格子パターン、１５０…高反射ミラー、２…レーザ光、４…スローライトモード波、２００…光デバイス、２１０…終端領域、２１２…絶縁領域、２１４…高反射ミラー、２２０…光増幅器、２３０…ビーム掃引デバイス、２４０…光変調器、２４４…変調用電極、２５０…出射部、２６０…外部共振器、２７０…ＭＥＭＳミラー。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】