特表 2024-513373 空洞内サブ波長格子を用いた波長可変ＶＣＳＥＬ偏光制御

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-25

(54)【発明の名称】空洞内サブ波長格子を用いた波長可変ＶＣＳＥＬ偏光制御

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/14 20060101AFI20240315BHJP

   H01S 5/183 20060101ALI20240315BHJP

   H01S 5/0225 20210101ALI20240315BHJP

   H01S 5/0687 20060101ALI20240315BHJP

【ＦＩ】

H01S5/14

H01S5/183

H01S5/0225

H01S5/0687

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023559841

(86)(22)【出願日】2022-03-29

(85)【翻訳文提出日】2023-10-30

(86)【国際出願番号】 US2022022244

(87)【国際公開番号】W WO2022212303

(87)【国際公開日】2022-10-06

(31)【優先権主張番号】63/167,209

(32)【優先日】2021-03-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】515174168

【氏名又は名称】エクセリタス テクノロジーズ コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】ジョンソン， バートリー シー．

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AB33

5F173AB46

5F173AB50

5F173AB52

5F173AB78

5F173AC03

5F173AC20

5F173AC26

5F173AC52

5F173AR06

5F173MC16

5F173MF02

5F173MF13

5F173MF28

5F173MF40

5F173SA09

5F173SA26

(57)【要約】

非常に強力な選択機構が、レーザ空洞内にサブ波長格子を採用することによってレーザ閾値をＴＥおよびＴＭ偏光に関して異なるように操作することによって、波長可変垂直空洞面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）において提供される。レーザは、最も低い閾値を伴う偏光を選択する。格子は、回折せず、空洞に損失を加えない。それは、ＶＣＳＥＬ全体の半導体と空気サブ空洞との間に大きい複屈折層を生成することによって機能する。多層スタック計算は、これがＴＥに優るＴＭ偏光のためのより低い閾値をもたらすことを示す。このサブ波長格子層は、一実施形態において、半導体表面上のＡＲコーティングに取って代わる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長可変垂直面発光レーザであって、前記波長可変垂直面発光レーザは、
ミラーを有する変形可能な膜素子と、前記レーザの光学空洞を画定する半ＶＣＳＥＬと、
前記光学空洞内のサブ波長格子と
を備えている、波長可変垂直面発光レーザ。

【請求項2】

前記サブ波長格子は、前記半ＶＣＳＥＬ上に位置している、請求項１に記載のレーザ。

【請求項3】

前記サブ波長格子は、前記半ＶＣＳＥＬの上部高屈折率層上に形成されている、請求項１に記載のレーザ。

【請求項4】

前記半ＶＣＳＥＬは、分散ブラッグ反射器を含む、請求項１に記載のレーザ。

【請求項5】

前記格子は、５０％のデューティサイクルを有する、請求項１に記載のレーザ。

【請求項6】

前記格子は、交互する材料と空気とである、請求項１に記載のレーザ。

【請求項7】

前記格子は、交互するＩｎＧａＰと空気とである、請求項１に記載のレーザ。

【請求項8】

前記格子は、前記半ＶＣＳＥＬ上の反射防止コーティングに取って代わる、請求項１に記載のレーザ。

【請求項9】

波長可変垂直面発光レーザを製作する方法であって、前記方法は、
変形可能な膜素子と前記レーザの光学空洞を画定する半ＶＣＳＥＬ素子とを形成することと、
前記半ＶＣＳＥＬ素子の中にサブ波長格子を形成することと
を含む、方法。

【請求項10】

前記サブ波長格子は、前記半ＶＣＳＥＬ素子の中にエッチングされる、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記サブ波長格子は、前記半ＶＣＳＥＬの上部高屈折率層の中にエッチングされる、請求項９に記載の方法。

【請求項12】

前記格子は、５０％のデューティサイクルを有する、請求項９に記載の方法。

【請求項13】

前記格子は、交互する材料と空気とである、請求項９に記載の方法。

【請求項14】

前記格子は、交互するＩｎＧａＰと空気とである、請求項９に記載の方法。

【請求項15】

前記格子は、前記半ＶＣＳＥＬ上の反射防止コーティングに取って代わる、請求項９に記載の方法。

【請求項16】

前記サブ波長格子を形成することは、前記半ＶＣＳＥＬ素子をエッチングすることを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項17】

前記サブ波長格子は、リソグラフィによって画定される、請求項９に記載の方法。

【請求項18】

波長可変垂直面発光レーザシステムであって、前記波長可変垂直面発光レーザシステムは、
ミラーを有する変形可能な膜素子と、前記レーザの光学空洞を画定する半ＶＣＳＥＬと、前記光学空洞内のサブ波長格子とを備えているレーザと、
前記レーザを光学的に励起するための励起チップと
を備えている、波長可変垂直面発光レーザシステム。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

（関連出願）
本願は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる２０２１年３月２９日に出願された米国仮出願第６３／１６７，２０９号の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）（米国特許法第１１９条（ｅ））下の利益を主張する。

【0002】

垂直空洞面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、制御された線形偏光出力のために、素子に組み込まれた非対称性を必要とする。この非対称性は、長方形のメサによって提供されることができる。例えば、Ｙ．Ｓａｔｏ、Ｔ．Ｍｏｒｉ、Ｙ．Ｙａｍａｙｏｓｈｉ、およびＨ．Ｋａｗａｇｕｃｈｉの「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｉｓｔａｂｌｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｅｓａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ９８０ｎｍ Ｖｅｒｔｉｃａｌ－Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒｓ」Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，４５，Ｌ４３８－Ｌ４４０，（２００６年）を参照されたい。別の選択肢は、Ｙ．Ｒａｏ、Ｗ．Ｙａｎｇ、Ｃ．Ｃｈａｓｅ、Ｍ．Ｃ．Ｙ．Ｈｕａｎｇ、Ｄ．Ｐ．Ｗｏｒｌａｎｄ、Ｓ．Ｋｈａｌｅｇｈｉ、Ｍ．Ｒ．Ｃｈｉｔｇａｒｈａ、Ｍ．Ｚｉｙａｄｉ、Ａ．Ｅ．Ｗｉｌｌｎｅｒ、およびＣ．Ｊ．Ｃｈａｎｇ－Ｈａｓｎａｉｎの「Ｌｏｎｇ－Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＶＣＳＥＬ Ｕｓｉｎｇ Ｈｉｇｈ－Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｇｒａｔｉｎｇ」ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９，１７０１３１１－１７０１３１１（２０１３年）、またはＴｈｏｒ Ａｎｓｂａｋ Ｐｈ．Ｄの論文「Ｖｅｒｔｉｃａｌ－ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ ｍｅｄｉｃａｌ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ」Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｔ Ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｎｍａｒｋ（２０１２年）に説明されているような、高コントラスト格子ミラーの使用である。別の選択肢は、サブ波長格子である。これは、Ｍ．Ｏｒｔｓｉｅｆｅｒ、Ｍ．Ｇｏｅｒｂｌｉｃｈ、Ｙ．Ｘｕ ｅｔ ａｌ．の「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ＶＣＳＥＬｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ／ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｇｒａｔｉｎｇ」ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．２２，１５－１７（２０１０年）において議論されている。

【0003】

なおもさらなる非対称の例が、存在する。酸化ＤＢＲミラーからの歪みが、Ｖ．Ｊａｙａｒａｍａｎ、Ｊ．Ｊｉａｎｇ、Ｂ．Ｐｏｔｓａｉｄ、Ｍ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ、Ｐ．Ｊ．Ｓ．Ｈｅｉｍ、Ｃ．Ｂｕｒｇｎｅｒ、Ｄ．Ｊｏｈｎ、Ｇ．Ｄ．Ｃｏｌｅ、Ｉ．Ｇｒｕｌｋｏｗｓｋｉ、Ｊ．Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ、Ａ．Ｍ．Ｄａｖｉｓ、およびＡ．Ｅ．Ｃａｂｌｅの「ＶＣＳＥＬ Ｓｗｅｐｔ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ」Ｓｅｃｔｉｏｎ ２２．５．４ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，Ｗ．Ｄｒｅｘｌｅｒ，Ｊ．Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ （ｅｄｓ．），Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ（２０１５年）に説明されているように使用されることができる。加えて、非対称金属歪みフィルムも、結晶に適用されることができる。Ｙ．Ｍａｔｓｕｉ、Ｄ．Ｖａｋｈｓｈｏｏｒｉ、Ｐ．Ｗａｎｇ、Ｐ．Ｃｈｅｎ、Ｃ－Ｃ．Ｌｕ、Ｍ．Ｊｉａｎｇ、Ｋ．Ｋｎｏｐｐ、Ｓ．Ｂｕｒｒｏｕｇｈｓ、およびＰ．Ｔａｙｅｂａｔｉの「Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｌｏｎｇ－Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｖｅｒｔｉｃａｌ－Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒｓ Ｏｖｅｒ ６５－ｎｍ Ｔｕｎｉｎｇ，Ｕｐ ｔｏ １４－ｍＷ Ｏｕｔｐｕｔ Ｐｏｗｅｒ」ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，３９，１０３７－１０４８（２００３年）を参照されたい。加えて、非対称電力開口も、提案されている。Ｍ．Ａ．Ｂｏｂｒｏｖ、Ｎ．Ａ．Ｍａｌｅｅｖ、Ｓ．Ａ．Ｂｌｏｋｈｉｎ、Ａ．Ｇ．Ｋｕｚｍｅｎｋｏｖ、Ａ．Ｐ．Ｖａｓｉｌ’ｅｖ、Ａ．Ａ．Ｂｌｏｋｈｉｎ、Ｍ．Ｍ．Ｋｕｌａｇｉｎａ、Ｙｕ．Ａ．Ｇｕｓｅｖａ、Ｓ．Ｉ．Ｔｒｏｓｈｋｏｖ、Ｗ．Ｌｙｓａｋ、およびＶ．Ｍ．Ｕｓｔｉｎｏｖの「ＶＣＳＥＬ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｙ ｒｈｏｍｂｏｉｄａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ－ｏｘｉｄｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｐｅｒｔｕｒｅ」２０１６ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｌａｓｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ （ＬＯ） Ｐａｇｅ Ｒ３－１６（２０１６年）、およびＫ－Ｈ．ＨａおよびＹ－Ｈ．Ｌｅｅの「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｖｅｒｔｉｃａｌ－Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒｓ ｂｙ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｏｘｉｄｅ－ａｐｅｒｔｕｒｅ」（ＣＬＥＯ） Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃｓ／Ｐａｃｉｆｉｃ Ｒｉｍ ’９９ ／ Ｐａｐｅｒ ２．３０，Ｐａｇｅｓ ８９０－８９１を参照されたい。

【0004】

表面格子も、Ｐ．Ｄｅｂｅｒｎａｒｄｉ、Ｊ．Ｍ．Ｏｓｔｅｒｍａｎｎ、Ｍ．Ｆｅｎｅｂｅｒｇ、Ｃ．Ｊａｌｉｃｓ、およびＲ．Ｍｉｃｈａｌｚｉｋの「Ｒｅｌｉａｂｌｅ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＶＣＳＥＬｓ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｌｌｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｇｒａｔｉｎｇｓ： Ａ Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ」ＩＥＥＥ Ｊ．ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１１，１０７－１１６（２００５年）に概説されているように、偏光を制御するために使用されることができる。

【0005】

別の選択肢は、傾斜結晶面上での成長である。Ｎ．Ｎｉｓｈｉｙａｍａ、Ｍ．Ａｒａｉ、Ｓ．Ｓｈｉｎａｄａ、Ｍ．Ａｚｕｃｈｉ、Ｔ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ、Ｆ．Ｋｏｙａｍａ、およびＫ．Ｉｇａの「Ｈｉｇｈｌｙ Ｓｔｒａｉｎｅｄ ＧａＩｎＡｓ－ＧａＡｓ Ｑｕａｎｔｕｍ－Ｗｅｌｌ Ｖｅｒｔｉｃａｌ－Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ ｏｎ ＧａＡｓ （３１１）Ｂ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｆｏｒ Ｓｔａｂｌｅ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」ＩＥＥＥ Ｊ．ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，７，２４２－ ２４８（２００１年）、およびＹ．Ｌ．Ｏｋｕｎｏ、Ｊ．Ｇｅｓｋｅ、Ｋ－Ｇ．Ｇａｎ、Ｙ－Ｊ．Ｃｈｉｕ、Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＪ．Ｅ．Ｂｏｗｅｒｓの「１．３ ｍｍ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ－ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ ｗａｆｅｒ ｂｏｎｄｉｎｇ： Ａ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｆｏｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，８２，２３７７－ ２３７９（２００３年）を参照されたい。

【0006】

Ｊ．Ｍ．Ｏｓｔｅｒｍａｎｎ、Ｐ．Ｄｅｂｅｒｎａｒｄｉ、Ａ．Ｋｒｏｎｅｒ、およびＲ．Ｍｉｃｈａｌｚｉｋの「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｇｒａｔｉｎｇ ＶＣＳＥＬｓ Ｕｎｄｅｒ Ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｓｔｒａｉｎ」ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９，１３０１－ １３０３（２００７年）は、外部誘発された非対称歪みを使用した偏光制御技法を説明する。

【0007】

２つの追加の選択肢は、１）偏光損失異方性（Ｔ．Ｙｏｓｈｉｋａｗａ、Ｔ．Ｋａｗａｋａｍｉ、Ｈ．Ｓａｉｔｏ、Ｈ．Ｋｏｓａｋａ、Ｍ．Ｋａｊｉｔａ、Ｋ．Ｋｕｒｉｈａｒａ、Ｙ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ、およびＫ．Ｋａｓａｈａｒａの「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ－Ｍｏｄｅ ＶＣＳＥＬ」ＩＥＥＥ Ｊ．ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，３４，１００９－１０１５（１９９８年）参照）、および、２）非対称電流注入（Ｙ．Ｚｈｅｎｇ、Ｃ－Ｈ．Ｌｉｎ、およびＬ．Ａ．Ｃｏｌｄｒｅｎの「Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｐｈａｓｅ Ｏｆｆｓｅｔ ｉｎ Ｌｏｗ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＶＣＳＥＬｓ」ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２３，３０５－３０７（２０１１年）参照）である。

【0008】

加えて、Ｂａｒｔ Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｗａｌｉｄ Ａｔｉａ、Ｓｅｕｎｇｂｕｍ Ｗｏｏ、Ｃａｒｌｏｓ Ｍｅｌｅｎｄｅｚ、Ｍａｒｋ Ｋｕｚｎｅｔｓｏｖ、Ｔｉｍ Ｆｏｒｄ、Ｎａｔｅ Ｋｅｍｐ、Ｊｏｅｙ Ｊａｂｂｏｕｒ、 Ｅｄ Ｍａｌｌｏｎ、Ｐｅｔｅｒ Ｗｈｉｔｎｅｙは、「Ｔｕｎａｂｌｅ １０６０ｎｍ ＶＣＳＥＬ ｃｏ－ｐａｃｋａｇｅｄ ｗｉｔｈ ｐｕｍｐ ａｎｄ ＳＯＡ ｆｏｒ ＯＣＴ ａｎｄ ＬｉＤＡＲ」Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ １０８６７，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ ＸＸＩＩＩ，１０８６７０６（２０１９年２月２２日）において、非対称歪みが、シリコンおよびＧａＡｓダイを高温において一緒に熱圧着接合することによって誘発され得ることを説明している。歪みは、これらの異なる材料の異なる熱膨張係数によって引き起こされる。非対称接合パッドが、歪みを垂直方向および水平方向において異なるものにする。この歪み非対称性が、有限要素解析および光干渉断層撮影を用いた複屈折性測定を通して検証された。Ｂａｒｔ Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｊｏｅｙ Ｊａｂｂｏｕｒ、Ｍａｒｋ Ｍａｌｏｎｓｏｎ、Ｍａｒｋ Ｋｕｚｎｅｔｓｏｖ、Ｗａｌｉｄ Ａｔｉａ、Ｎａｔｅ Ｋｅｍｐ、Ｐｅｔｅｒ Ｗｈｉｔｎｅｙの「ＯＣＴ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃｓ Ｒ＆Ｄ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ」Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ １１６３０，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ ＸＸＶ，１１６３０２３（２０２１年３月５日）を参照されたい。

【0009】

非対称歪みは、１／２ＶＣＳＥＬ結晶において高い複屈折性を引き起こし、高い複屈折性は、空洞の２つの固有偏光である垂直偏光または水平偏光を選択することおいて非常に有効である。理論上、さらに、それは、一方の偏光に関する利得を他方より選択的に上昇させる。Ｔ．Ｃ．ＣｈｏｎｇおよびＣ．Ｇ．ＦｏｎｓｔａｄのＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．２５，ｎｏ．２，ｐｐ．１７１－１７８（１９８９年２月）における「Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｇａｉｎ ｏｆ ｓｔｒａｉｎｅｄ－ｌａｙｅｒ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｔｒａｉｎ ｒｅｇｉｍｅ」、およびＬａｒｒｙ Ａ．Ｃｏｌｄｒｅｎ、Ｓｃｏｔｔ Ｗ．Ｃｏｒｚｉｎｅ、およびＭｉｌａｎ Ｌ．Ｍａｓａｎｏｖｉｃの「Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ」ｓｅｃｏｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｗｉｌｅｙ（２０１２年）を参照されたい。この第２の機構は、あまり効果的ではなく、発振偏光は、常時垂直であるわけではない。しかしながら、それは、依然として、ＩＩＩ－Ｖ族ウエハの１１０または１１０結晶面に対して平行に著しく線形に偏光させられる。厳密に制御されていない非点収差ビームのためのＡＲコーティング界面において、モーダル依存反射率等の他の機構も、存在する。おそらく、最終的偏光が、垂直であるか、水平であるかを決定するいくつかの効果が低い競合機構も、存在する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｉｓｔａｂｌｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｅｓａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ９８０ｎｍ Ｖｅｒｔｉｃａｌ－Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒｓ」Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，４５，Ｌ４３８－Ｌ４４０，（２００６年）

【非特許文献2】「Ｌｏｎｇ－Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＶＣＳＥＬ Ｕｓｉｎｇ Ｈｉｇｈ－Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｇｒａｔｉｎｇ」ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９，１７０１３１１－１７０１３１１（２０１３年）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明は、波長可変（ｔｕｎａｂｌｅ）垂直空洞面発光レーザ（ＴＶＣＳＥＬ）の中に設計された偏光機構に関する。この機構は、前に議論されたそれらのうちのいくつかより強力であることができ、ある設計にさらに統合されることができる。具体的に、それは、ＩＩＩ－Ｖ族半導体等の半導体表面にエッチングされたサブ波長格子を採用する。この格子は、任意の反射防止性（ＡＲ）コーティングの代わりに使用されることができる。

【課題を解決するための手段】

【0012】

一般に、一側面によると、本発明は、波長可変垂直面発光レーザであって、ミラーを有する変形可能な膜素子とレーザの光学空洞を画定する半ＶＣＳＥＬとを備えている波長可変垂直面発光レーザを特徴とする。本発明によると、サブ波長格子が、光学空洞内に提供される。

【0013】

実施形態において、サブ波長格子は、半ＶＣＳＥＬ上に位置する。特に、それは、半ＶＣＳＥＬの高屈折率等の上部層上に形成されることができる。

【0014】

格子のピッチΛは、レーザの動作波長（λ）未満である。特に、格子が製作される層が、ｎの屈折率を有し、この素子の動作波長が、λである場合、格子ピッチΛは、λ／ｎ未満であり、好ましくは、λ／ｎよりはるかに小さい。１つの具体的例では、λ／ｎは、約３３０ナノメートル（ｎｍ）であり、Λは、３００ｎｍ未満であるか、または好ましくは、約２００ｎｍである。

【0015】

実施形態において、格子は、５０％のデューティサイクルを有する。格子は、交互するＩｎＧａＰと空気等、交互する材料と空気とである。

【0016】

加えて、格子は、半ＶＣＳＥＬ上の典型的反射防止コーティングに取って代わる。

【0017】

一般に、別の側面によると、本発明は、波長可変垂直面発光レーザを製作する方法であって、変形可能な膜素子とレーザの光学空洞を画定する半ＶＣＳＥＬ素子とを形成することと、エッチング等によって半ＶＣＳＥＬ素子の中にサブ波長格子を形成することとを含む方法を特徴とする。

【0018】

一般に、別の側面によると、本発明は、波長可変垂直面発光レーザシステムを特徴とする。システムは、ミラーを有する変形可能な膜素子とレーザの光学空洞を画定する半ＶＣＳＥＬと光学空洞内のサブ波長格子とを備えているレーザと、レーザを光学的に励起するための励起チップとを備えている。

【0019】

部品の構築および組み合わせの種々の新規詳細と他の利点とを含む本発明の上記および他の特徴が、ここで、添付の図面を参照してより具体的に説明され、請求項において指摘されるであろう。本発明を具現化する特性の方法およびデバイスが、本発明の限定としてではなく、例証として示されることを理解されたい。本発明の原理および特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、種々および多数の実施形態において採用され得る。

【図面の簡単な説明】

【0020】

付随の図面では、参照記号は、異なる図の全体を通して同じ部分を指す。図面は、必ずしも、縮尺通りではなく、代わりに、本発明の原理を例証することに重点が置かれている。

【0021】

【図1A】図１Ａは、一実施形態による分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ミラーおよび量子井戸に加えてサブ波長格子を伴うＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１０を示す。

【0022】

【図1B】図１Ｂは、別の実施形態による利得埋め込みＤＢＲ ＶＣＳＥＬにおける量子井戸ＱＷに加えてサブ波長格子を伴うＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１０を示す。

【0023】

【図2】図２Ａおよび２Ｂは、一例における本発明が適用され得る、それぞれ、ウエハ接合型またはダイ接合型波長可変ＶＣＳＥＬの分解斜視図および接合パッドの場所を示す半ＶＣＳＥＬの概略斜視図である。

【0024】

【図3】図３は、サブ波長格子を伴う波長可変ＶＣＳＥＬを含む光学的に励起された波長可変ＶＣＳＥＬ掃引源モジュールの上部平面図である。

【0025】

【図4】図４は、サブ波長格子および５０％デューティサイクルを伴うＩｎＧａＰ層に関するナノメートルにおける格子ピッチの関数としての屈折率のプロットであり、層は、交互するＩｎＧａＰと空気とである。

【0026】

【図5】図５Ａ－５Ｃは、１６０ナノメートル（ｎｍ）の深度のＩｎＧａＰに関するナノメートルにおける格子ピッチの関数としての透過および反射のプロットである。

【0027】

【図6】図６Ａ－６Ｃは、ｋ空間内の回折次数を示し、図６Ａは、１，２００ｎｍの格子ピッチに関する次数を示し、図６Ｂは、４００ｎｍの格子ピッチに関する次数を示し、図６Ｃは、２００ｎｍの格子ピッチに関する次数を示し（参考のために、図５Ａ－５Ｄに描画された垂直線参照）、図６Ｃは、格子ピッチが十分に低い場合、回折次数に対するいかなる損失も存在しないこと、具体的に、ピッチが＜３４０ｎｍである場合、いかなる損失も存在しないことを示す。

【0028】

【図7】図７Ａは、調整曲線を示し、図７Ｂは、大量の偏光区別を示すＴＥ偏光およびＴＭ偏光に関する閾値利得を示す一方、図７Ｃは、ＴＥ調整範囲およびＴＭ調整範囲内に、あまり重複さえ存在しないことを実証する。

【発明を実施するための形態】

【0029】

本発明は、ここで、以降、本発明の例証的実施形態が示される付随の図面を参照してより完全に説明されるであろう。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態において具現化され得、本明細書に述べられる実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全となり、本発明の範囲を当業者に完全に伝達するであろうように提供される。

【0030】

本明細書で使用されるように、用語「ａｎｄ／ｏｒ（および／または）」は、関連付けられたリストアップされた物品のうちの１つ以上のもののあらゆる組み合わせを含む。さらに、単数形および冠詞「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、明示的に別様に記載されない限り、同様に、複数の形態を含むことを意図する。さらに、用語「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（～を含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（～備えている）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（～を含む）」、および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（～を備えている）」が、本明細書において使用されるとき、記載される特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を規定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を除外するものではないことを理解されたい。さらに、構成要素またはサブシステムを含む要素が別の要素に接続または結合されているものとして言及および／または示されるとき、それが他の要素に直接接続または結合され得ること、または介在要素が存在し得ることを理解されたい。

【0031】

「第１」および「第２」等の用語が、本明細書では、種々の要素を説明するために使用されるが、これらの要素が、これらの用語によって限定されるべきではないことを理解されたい。これらの用語は、１つの要素を別の要素から区別するために使用されるにすぎない。したがって、下で議論される要素は、第２の要素と称され得、同様に、第２の要素も、本発明の教示から逸脱することなく、第１の要素と称され得る。

【0032】

別様に定義されない限り、本明細書において使用される（技術的用語および科学的用語を含む）全ての用語は、本発明が属する分野における当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書において定義されるもの等の用語が、関連分野の文脈においてそれらの意味に一貫する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書に明示的にそのように定義されない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されることはないであろうことをさらに理解されたい。

【0033】

図１Ａは、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１０におけるＤＢＲミラーおよび量子井戸のための配置を示し、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１０は、本発明の原理に従って構築された空洞内サブ波長格子を伴う。

【0034】

より詳細に、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１０は、膜ミラー２５０を有する前面ＭＥＭＳ膜構造２１４を含む。１／２または半ＶＣＳＥＬチップまたは素子１１２が、調節可能な空気光学間隙１０５によって、前面ＭＥＭＳ膜構造２１４から分離され、光軸に沿った空気光学間隙１０５の長さは、膜構造２１４を変形させることによって調整される。

【0035】

半ＶＣＳＥＬ素子１１２は、半ＶＣＳＥＬ素子１１２の利得媒体部分ＧＭを有する。それは、典型的に、高屈折率層Ｈ内に埋め込まれた多重量子井戸層ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３、ＱＷ４を有する。ＤＢＲスタックミラーが、半ＶＣＳＥＬ素子１１２において利得媒体に続く。このミラーＤＢＲは、高屈折率材料Ｈと低屈折率材料Ｌとの交互する層によって特徴付けられる。一般に、ＤＢＲミラーは、所望の反射率と使用される２つの材料の屈折率における差とに応じて、わずか４層から７０以上もの多くの層まで（１層＝Ｈ＋Ｌ）を有することができる。最後に、半ＶＣＳＥＬ素子１１２は、種々の層が堆積させられ、機械的支持を提供する基板１１５をさらに含む。

【0036】

本発明によると、サブ波長格子１１４が、上部高屈折率層ＴＨの中に形成され、ＴＨは、空気光学間隙１０５に面している（または、隣接している）。この格子は、一例では、半ＶＣＳＥＬの表面において、および上部高屈折率層においてサブ波長格子をエッチングすることによって形成される。これは、任意の反射防止（ＡＲ）コーティングに取って代わることができる。５０％デューティサイクルでＩｎＧａＰキャップの中にエッチングすることは、非常に高い複屈折性をもたらす（図４参照）。ＴＥおよびＴＭ屈折率は、√ｎの両側に存在する。

【0037】

いくつかの製作技法が、格子のために適切である。サブ波長格子は、好ましくは、電子ビームリソグラフィ、ＵＶレーザ干渉リソグラフィ、または他の方法によって画定される。そして、そのリソグラフ結果は、一例では、乾式エッチングプロセスによって半導体の中に転写される。

【0038】

図１Ｂは、別の実施形態による空洞内サブ波長格子を伴うＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１０におけるＤＢＲミラーおよび量子井戸の配置を示す。この例は、米国特許公開第２０２１／００５０７１２号（参照によって本明細書に組み込まれる）に説明されるような利得埋め込みＤＢＲミラーを含む。

【0039】

ここで、全体空洞長は、利得媒体ＧＭをＤＢＲスタックミラーの内側に設置し、組み合わせられた利得媒体およびＤＢＲミラーＧＭ／ＤＢＲを生成することによって、光軸の方向において減らされている。

【0040】

一般に、サブ波長格子１１４は、再び、上部高屈折率層ＴＨの中に形成される。後続の第１の量子井戸ＱＷ１が、提供され、低屈折率材料層Ｌ、高屈折率材料層Ｈ、第２の量子井戸ＱＷ２、次いで、低屈折率材料層Ｌ、高屈折率材料層Ｈ、第３の量子井戸ＱＷ３、次いで、低屈折率材料層Ｌ、高屈折率材料層Ｈ、および第４の量子井戸ＱＷ４が、後に続く。次いで、ＤＢＲミラーの残りの層Ｈ、Ｌが、所望の反射率のために追加される。示されるように、好ましくは、量子井戸は、ＤＢＲミラーの高屈折率層と低屈折率層との間に追加される。

【0041】

量子井戸層ＱＷ１－ＱＷ４は、好ましくは、反射光の電場が最も強力であるＤＢＲミラーのスタック内に高く設置される。これは、利得へのそれらのそれぞれの寄与を最大化する。

【0042】

サブ波長格子１１４を伴うこのＴＶＣＳＥＬは、概して、いくつかの半導体材料系および波長帯域に適用可能である。一般的材料系は、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ等の二元材料、およびＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、およびＩｎＧａＡｓＳｂ等の三元、四元、および五元合金を含むＩＩＩ－Ｖ族半導体材料に基づく。集合的に、これらの材料系は、約４００ナノメートル（ｎｍ）～２，０００ｎｍの動作波長（複数マイクロメートル波長まで延びているより長い波長範囲を含む）を支援する。半導体量子井戸領域および量子ドット利得領域は、典型的に、特に広い利得およびスペクトル放射帯域幅を取得するために使用される。量子井戸層は、正確な材料および所望の波長対象範囲に応じて、意図的に歪ませられることも、歪ませられないこともある。

【0043】

それにもかかわらず、組み合わせられた利得媒体およびＤＢＲミラー、すなわち、ＧＭ／ＤＢＲは、利得媒体として歪ませられたＩｎＧａＡｓ量子井戸を伴うＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ材料系に非常によく適している。この系は、約１，０５０ｎｍの帯域においてレーザを放出する。この材料系では、高屈折率層Ｈは、ＧａＡｓであり、低屈折率層Ｌは、ＡｌＡｓまたは類似の高Ａｌ含有量ＡｌＧａＡｓ合金である。

【0044】

利得媒体は、本実施形態において、光学的に励起される。レーザ放射光および励起光は、ＧａＡｓ基板の場合と同様、基板が励起波長において吸光性である場合、ＭＥＭＳ膜構造を通って来る必要がある。

【0045】

しかしながら、それは、必ずしも、他の材料系に関して当てはまるわけではない。ＶＣＳＥＬ放射は、ＭＥＭＳ側、基板側、または両方から外に出るように構成され得る。ＭＥＭＳミラー２５０は、多くの場合、空間モード制御のために湾曲しているが、それは、必ずしも、例えば、半ＶＣＳＥＬ素子１１２内の熱レンズ効果が強力ではない場合、そうである必要はない。

【0046】

図２Ａおよび２Ｂは、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１０のための具体的設計を示す。多くの設計が、可能であるが、これは、半ＶＣＳＥＬチップまたは素子１１２をシリコンＭＥＭＳ光学膜素子１１０に接合することによって形成され、シリコンＭＥＭＳ光学膜素子１１０は、波長調整のための静電可動ミラーを有する。

【0047】

より詳細に、光学膜素子１１０は、支持体として機能するハンドルウエハ材料２１０を備えている。現在、ハンドルは、電気接触を促進するためにドープシリコンから作製される。

【0048】

光学膜または素子層２１２が、ハンドルウエハ材料２１０に追加される。典型的に、絶縁膜上シリコン層（ＳＯＩ）ウエハが、使用される。光学膜構造２１４が、この光学膜層２１２内に形成される。本実装では、膜層２１２は、透過光の自由キャリア吸収を最小にするために低ドープ化されたシリコンである。電気接触のために、膜層表面が、通常、加えて、イオン埋め込みによってドープ化され、高度にドープ化された表層を生成する。方法は、層全体が高度にドープ化されている場合に生じるであろう膜層自体における光学吸収を最小にする。絶縁（埋められた二酸化ケイ素）層２１６が、ハンドルウエハ材料２１０から光学膜層２１２を分離する。

【0049】

ＳＯＩウエハ材料における膜素子の製造中、絶縁層２１６は、犠牲／剥離層として機能し、犠牲／剥離層は、ハンドルウエハ材料２１０から膜構造２１４を解放するために部分的に除去される。次いで、動作中、絶縁層２１６の残りの部分が、パターン化された素子層２１２とハンドル材料２１０との間に電気絶縁を提供する。

【0050】

本実施形態において、膜構造２１４は、本体部分２１８を備えている。この素子１０の光軸は、本本体部分２１８を同軸に通過し、膜層２１２によって画定される平面に対して直交する。本本体部分２１８の直径は、好ましくは、３００～６００マイクロメートルであり、現在、それは、約５００マイクロメートルである。

【0051】

テザー２２０（図示される例では、４つのテザー）が、素子層２１２の中に製作された弧状のスロット２２５によって画定され、輪郭を描かれる。テザー２２０は、本体部分２１８から、外側部分２２２まで半径方向に延び、外側部分２２２は、テザー２２０が終端するリングを備えている。本実施形態において、渦巻状のテザーパターンが、使用される。

【0052】

膜ミラードット２５０が、膜構造２１４の本体部分２１８上に配置される。いくつかの実施形態において、膜ミラー２５０は、光学的に湾曲し、光学的に凹面形光学要素を形成し、それによって、湾曲したミラーレーザ空洞を形成する。他の場合、膜ミラー２５０は、平坦ミラーであり、または、あるいは凸面形でさえある。

【0053】

湾曲した膜ミラー２５０が、所望されるとき、この湾曲は、本体部分２１８内にくぼみを形成し、次いで、ミラー２５０を形成する材料層または複数の層をそのくぼみの上に堆積させることによって、生成されることができる。他の例では、膜ミラー２５０は、その湾曲をもたらすであろう高圧縮材料応力を伴って堆積させられることができる。

【0054】

膜ミラードット２５０は、好ましくは、反射誘電体ミラースタックである。いくつかの例では、それは、レーザ１０内に発生させられたレーザ光の波長に定義された反射率（１～９９．９％等）を提供するダイクロイックミラーフィルタである一方、光学ドット２５０は、ＶＣＳＥＬ素子１１２内の活性領域を光学的に励起するために使用される光の波長に対して透過性である。なおも他の例では、光学ドットは、アルミニウムまたは金等の反射性金属層である。

【0055】

図示される実施形態において、４つの金属パッドＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３、およびＭＰ４が、膜素子１１０の近位側に堆積させられる。これらは、例えば、半ＶＣＳＥＬ素子１１２上に堆積させられた金パッドＧＰ１－４を使用して、膜素子１１０の近位面の上に半ＶＣＳＥＬ素子１１２をはんだ付けまたは熱圧着接合するために使用される。

【0056】

２つのワイヤ接合パッド３３４Ａ、３３４Ｂも、提供される。膜ワイヤ接合パッド３３４Ａは、電気接続を膜層２１２に（したがって、膜構造２１４に）提供するために使用される。ハンドルワイヤ接合パッド３３４Ｂは、電気接続をハンドルウエハ材料２１０に提供するために使用される。

【0057】

半ＶＣＳＥＬ素子１１２は、概して、上部高屈折率層ＴＨの中に形成されたサブ波長格子１１４と、組み合わせられた、または分離された利得媒体ＧＭおよびＤＢＲミラーＤＢＲとを備えている。

【0058】

なおも他の例では、ＤＢＲミラーＤＢＲは、レーザ１０内に発生させられたレーザ光の波長に定義された反射率（９９％を上回るもの等）を提供するダイクロイックミラーフィルタである一方、ＤＢＲは、ＶＣＳＥＬ素子１１２内の活性領域を光学的に励起するために使用される光の波長に対して透過性であり、したがって、半ＶＣＳＥＬ素子１１２が励起光の入力ポートとして機能することを可能にする。

【0059】

約１，０５０ｎｍの中心波長で動作するＶＣＳＥＬの例では、ミラー反射率は、波長が約１，０５０ｎｍの光に関してより高い値に向かう傾向にある。例えば、ＤＢＲの反射率は、約９９．９９％である。他方、前面ミラードット２５０は、通常、９９％以上である。本実施形態において、ミラードット２５０は、約９９．４％以上の反射率を有する。

【0060】

動作時、ＶＣＳＥＬ素子は、電気的または光学的に励起される。発生させられた光は、ＤＢＲミラーＤＢＲと膜ミラー２５０との間で共振する。発生させられた光の波長は、本体部分２１８とハンドルウエハ材料２１０および／または半ＶＣＳＥＬ素子１１２との間の静電場を制御することによって、本体部分２１８（したがって、膜ミラー２５０）の面外静電変形によって素子の走査帯域内で調整される。素子波長は、約１，０００ｎｍ～１，１００ナノメートルの範囲にわたって掃引する。

【0061】

図２Ｂは、半ＶＣＳＥＬ素子１１２上の隠れている接合パッドＧＰ１－ＧＰ４を示す概略図である。

【0062】

１／２ＶＣＳＥＬ素子１１２上の薄肉金パッドＧＰ１－ＧＰ４は、接合部を形成するように高圧力および高温度においてそれらを接触させることによって、ＭＥＭＳ膜（ミラー）素子１１０の対応する膜パッドＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３、およびＭＰ４に熱圧着接合される。典型的に、これは、３００～３６０℃および１～１０Ｎの力において行われる。しかしながら、金／スズおよび／または共晶はんだ付け等の他の高温接合方法も、類似の効果を生じさせるために使用されることができる。

【0063】

図３は、例示的な光学的に励起される波長可変ＶＣＳＥＬ掃引源システム１０１を示し、システム１０１は、サブ波長偏光安定化ＶＣＳＥＬ１０を採用し、そのシステムは、単一のモジュールに統合されている。

【0064】

励起チップ７６０からの光が、励起光ファイバ７４２を介してベンチ７４０に結合される。チップは、より高いレベルの統合のために、ベンチの上に直接統合されることもできる。光ファイバ７４２からの励起光７１２が、ベンチ７４０に取り付けられた第１のレンズＬｅｎｓＡによってコリメートされる。励起光７１２は、次いで、ダイクロイックミラー７３２を通して透過され、次いで、第２のレンズＬｅｎｓＢによって、ＶＣＳＥＬ１００の半ＶＣＳＥＬ１１２の上に集束させられる。

【0065】

好ましくは、ベンチ７４０は、次に、密封パッケージ７４４内に据え付けられ、光ファイバが、パッケージ７４４のファイバフィードスルー７４６、７４８を通過する。

【0066】

ダイクロイックミラー７３２は、ＶＣＳＥＬ１０によって放射されるＶＣＳＥＬ光７３４のより長い波長を反射するが、図示される例では、励起光７１２、７２４に対して透過性である。具体的に、図示される例では、ＶＣＳＥＬ１０からの波長可変信号が、ベンチ７４０に取り付けられたダイクロイックミラー７３２によって反射され、ベンチ７４０に取り付けられた折り曲げミラー７５０に向かわせられ、次いで、ベンチ７４０に取り付けられた第３のレンズ７５２に向かわせられる。第３のレンズ７５２は、光を出力光ファイバ７５４の入り口開口の中に集束させる。

【0067】

この具体的設計のさらなる詳細が、米国特許出願公開第ＵＳ ２０１９／０３４８８１３ Ａ１号（本参照によってその全体として本明細書に組み込まれる）に見出されることができる。

【0068】

加えて、利得が、システム１０１に追加されることができる。例えば、半導体光学増幅器（ＳＯＡ）チップ７５６も、ベンチ７４０上に据え付けられた状態で示される。典型的に、内部結合レンズ７５８およびコリメートレンズ７６２が、それぞれ、ＳＯＡチップ７５６の入力および出力上に追加される。ＳＯＡ７５６は、ＶＣＳＥＬ１０からの出力をブーストする。絶縁器７６４も、任意の寄生光学空洞をなくすためにＳＯＡ７５６とＶＣＳＥＬ１０との間において有用である。

【0069】

（サブ波長格子設計考慮点）

【0070】

垂直入射に関して、ピッチΛ＜λ／ｎを伴う格子は、回折することができず、ｎは、基板屈折率であり、Λは、格子ピッチであり、λは、波長である。これらの格子は、依然として、光学的に活性であり、非常に大きくあり得る均一な複屈折性を示す。Ｄａｌｅ Ｃ．Ｆｌａｎｄｅｒｓの「Ｓｕｂｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ ｐｅｒｉｏｄｉｃｉｔｙ ｇｒａｔｉｎｇｓ ａｓ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４２，４９２（１９８３年）およびＡｍｎｏｎ ＹａｒｉｖおよびＰｏｃｈｉ Ｙｅｈの「Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ ｍｅｄｉａ．ＩＩ．Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ，ｐｈａｓｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ，ａｎｄ ｘ－ｒａｙ ｌａｓｅｒｓ」Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．６７，４３８－４４７（１９７７年）を参照されたい。バルク屈折率ｎ_１およびｎ_２を伴う格子材料に関して、溝に対して平行（ＴＥ）および垂直（ＴＭ）の電場に関する層状構造の屈折率は、以下の通りである。

【数10】

【0071】

式中、ｑは、材料充填係数である。これらの式は、Λ＜＜λ／ｎである、限界に関して有効である。この限界が妥当なリソグラフィによって到達可能でない場合、複屈折性は、電磁場ソルバによって決定されることができる。以下の表は、ＧａＡｓに合致させられた半導体ＩｎＧａＰ格子に関する例示的屈折率値を与える。

【表1】

【0072】

フォトニック結晶シミュレータが、ＩｎＧａＰの中に１６０ｎｍの深度までエッチングされた格子の性質を計算するために使用された。設計演習としてその透過および反射対格子ピッチを調査することで、これらの格子が、十分に短い格子ピッチに関して無損失的であることが示された。より長いピッチにおいては、格子は、角度を付けて回折し、ＶＣＳＥＬ空洞に損失を導入する。

【0073】

図４は、「ＭＩＴフォトニック帯域（ＭＰＢ）」と呼ばれる、ＭＩＴ製電磁場計算プログラムである、ＭＰＢによって計算されたＴＥおよびＴＭ屈折率対格子ピッチを示す。それらは、方程式（１）および（２）によって計算された値に漸近的に近づく。

【0074】

図５Ａ－５Ｄは、波長において約１，１００で動作する波長可変レーザに関する１６０ｎｍの深度のＩｎＧａＰ格子に関するナノメートルにおける格子ピッチの関数としての透過および反射のプロットである。図５Ａおよび５Ｂは、格子１１４の表面に対して垂直である透過波および反射波に関するプロットである。図５Ｃおよび５Ｄは、回折次数に関するプロットである。λ／ｎ、この場合、３４０ｎｍ未満の格子ピッチに関するいかなる回折も存在しないことに留意されたい。

【0075】

図６Ａ－６Ｃは、ｋ空間内の回折次数を示す。それらは、１，２００ｎｍ（図６Ａ）、４００ｎｍ（図６Ｂ）、および２００ｎｍ（＜３４０ｎｍ）（図６Ｃ）の格子ピッチに関するものである。参考のために、図５Ａ－５Ｄに描画された垂直線を参照されたい。

【0076】

（閾値利得の非対称性）

【0077】

図７Ａ－７Ｃは、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の各々に関するマイクロメートルにおける光学間隙の関数としてのナノメートルにおける波長、パーセントにおける往復閾値利得の関数としてのナノメートルにおける波長、およびマイクロメートルにおける光学間隙の関数としてのパーセントにおける往復閾値利得のプロットである。曲線は、著しい偏光区別を示す。閾値利得の不均衡を除いて、曲線は、ＴＥ調整範囲およびＴＭ調整範囲において、あまり重複さえ存在しないことを示す。

【0078】

したがって、閾値利得曲線は、ＶＣＳＥＬにおけるＴＭ偏光、特に、ＶＣＳＥＬが多くの光学間隙設定に対してレーザ放出しない図１Ｂの設計に関して、優れた利点を示す。ＴＥモードおよびＴＭモードは、同じ間隙設定に対して異なる波長において共振するが、しかしながら、ＴＭモードのみが、そのより低い閾値利得によりレーザを放出するであろう。ＴＭモードは、あまり感度が高くない調整も有し、それも、同様に、利点である。

【0079】

一般に、利得は、量子井戸層の屈折率の虚数部分を操作することによって追加される。ＶＣＳＥＬにおける層の全て、ＭＥＭＳ膜ＡＲおよびＨＲ誘電層、空隙、およびＩＩＩ－Ｖ族半導体層の全ての反射率が、計算される。閾値利得は、スタック反射率が最大である点である。

【0080】

ＴＭ偏光に関するより低い利得要件は、空洞内のより少ない損失の結果ではない。サブ波長格子１１４は、理論的には無損失である。それは、空洞内のエネルギーの分布の結果である。ＩＩＩ－Ｖ族半導体と空隙との間にＡＲコーティングを伴う他の設計に関して、このＡＲコーティングは、空洞内のエネルギーの分布の大きい役割を果たす。例えば、屈折率√ｎの４分の１波コーティングは、ｎの半導体屈折率のための完璧なＡＲコーティングである。完璧なＡＲコーティングから離れると、＞√ｎの屈折率は、エネルギーを空洞の空気側の中に押し込む。＜√ｎの層は、光エネルギーを半導体側にまとめる。これらは、空気／空洞優位および半導体／空洞優位のケースである。量子井戸から利得を抽出するより強力な定在波を用いて、半導体／空洞優位設計は、より低い閾値を有する。ＶＣＳＥＬは、より低い閾値モードの動作を優先するであろう。これは、空洞にいかなる偏光依存損失も追加することなく、行われる。サブ波長格子は、ＴＥ空洞を空気優位に、ＴＭ空洞を半導体優位にし、閾値利得の大きい差異を引き起こす。

【0081】

本アプローチは、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に関してレーザ閾値を異なるように操作することによって、非常に強力な選択機構を提供する。レーザは、最も低い閾値を伴う偏光を選択する。この選択は、サブ波長格子１１４によって成される。格子は、回折せず、空洞に損失を追加しない。これは、ＶＣＳＥＬ全体の半導体と空気サブ空洞との間に大きい複屈折層を生成することによって機能する。多層スタック計算は、これがＴＥに優るＴＭ偏光のためのより低い閾値をもたらすことを示す。

【0082】

本発明は、特に、その好ましい実施形態を参照して示され、説明されているが、形態および詳細の種々の変更が、添付の請求項によって包含される発明の範囲から逸脱することなく、その中で行われ得ることが、当業者によって理解されるであろう。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】