JP5374772B2 - 光電子デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本願は、２００６年６月１６日に出願された「ＥＸＴＥＲＮＡＬ ＣＡＶＩＴＹ ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＤＥＶＩＣＥ（外部共振器光電子デバイス）」という名称の特許文献１、２００６年６月１６日に出願された「ＳＵＲＦＡＣＥ−ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＡＫＩＮＧ ＳＡＭＥ（表面発光型光電子デバイスおよびその製造方法）」という名称の特許文献２、および２００７年１月３日に出願された「ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＡＫＩＮＧ ＳＡＭＥ（光電子デバイスおよびその製造方法）」という名称の特許文献３に開示された発明についての権利を主張するものである。前述した出願は、その開示内容を本願明細書の一部として援用する。

本発明は、半導体デバイスの分野に関する。より詳細には、本発明は、発光ダイオード、波長安定化半導体端面発光および面発光レーザー、光増幅器、光検出器、ならびにモード同期レーザーに関する。

図１（ａ）に、従来の半導体ダイオードレーザー、より具体的には、端面発光レーザーを示した。レーザー構造１００は、ｎ型ドープ基板１０１上にエピタキシャル成長される。この構造は、ｎ型ドープクラッド層１０２と、導波路１０３と、ｐ型ドープクラッド層１０８と、ｐ型コンタクト層１０９とをさらに含む。導波路１０３は、ｎ型ドープ層１０４と、閉じ込め層自身の内部に活性領域１０６を有する閉じ込め層１０５と、ｐ型ドープ層１０７とを含む。ｎ接点１１１は、基板１０１に隣接する。ｐ接点１１２は、ｐ型コンタクト層１０９の上に搭載される。活性領域１０６は、順方向バイアス１１３が印加されたときに光を生成する。垂直方向ｚにおける光モードの分布は、ｚ方向の屈折率分布によって決定される。導波路１０３は、その横方向平面において、前部ファセット１１６および後部ファセット１１７によって境界が画定される。後部ファセット１１７に特殊な高反射被膜が施されている場合、レーザー光１１５は、前部ファセット１１６からのみ放射される。

基板１０１は、各種ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、またはＩＩＩ−Ｖ族半導体合金から形成される。たとえば、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＳｂである。ＧａＡｓまたはＩｎＰは、一般に、レーザー放射の所望の発光波長に対応して利用される。これに代わる構成として、サファイアや、ＳｉＣや、［１１１］−Ｓｉが、ＧａＮベースのレーザーの基板、すなわちレーザー構造として使用されて、その各層は、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ、またはこれらの材料の合金で形成される。基板１０１は、ｎ型、すなわちドナー不純物によってドープされる。利用可能なドナー不純物は、特に限定するものではないが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ、およびＳｉ，Ｇｅ，Ｓｎのような両性不純物を含み、後者の両性不純物は、カチオン副格子内の大部分を占めるように組み込まれて、ドナー不純物として機能するという技術的条件において導入される。

ｎ型ドープクラッド層１０２は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。ＧａＡｓ基板１０１の場合、ｎ型ドープクラッド層は、ＧａＡｌＡｓ合金から形成されることが好ましい。

導波路１０３のｎ型ドープ層１０４は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。ＧａＡｓ基板の場合、導波路のｎ型ドープ層１０４は、ＧａＡｓから、またはｎ型ドープクラッド層１０２よりもＡｌの含有量が少ないＧａＡｌＡｓ合金から形成されることが好ましい。

導波路１０３のｐ型ドープ層１０７は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。導波路のｐ型ドープ層１０７は、ｎ型ドープ層１０４と同じ材料から形成される一方で、アクセプタ不純物がドープされることが好ましい。利用可能なアクセプタ不純物は、特に限定するものではないが、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｐｂ，Ｍｎ、およびＳｉ，Ｇｅ，Ｓｎのような両性不純物を含み、後者の両性不純物は、アニオン副格子内に大部分が組み込まれてアクセプタ不純物として機能するという技術的条件において導入される。

ｐ型ドープクラッド層１０８は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。ｐ型ドープクラッド層１０８は、ｎ型ドープクラッド層１０２と同じ材料から形成される一方で、アクセプタ不純物がドープされることが好ましい。

ｐ型コンタクト層１０９は、好ましくは、基板に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。ドーピングレベルは、ｐ型クラッド層１０８よりも高いことが好ましい。

金属接点１１１および１１２は、好ましくは、多層金属構造から成る。金属接点１１１は、特に限定するものではないが、Ｎｉ−Ａｕ−Ｇｅ構造を含む構造から構成されることが好ましい。金属接点１１２は、特に限定するものではないが、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ構造を含む構造から構成されることが好ましい。

閉じ込め層１０５は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドープされないか、または微弱にドープされる。閉じ込め層は、好ましくは、基板１０１と同じ材料から形成される。

閉じ込め層１０５内に配置された活性領域１０６は、挿入によって形成されることが好ましく、活性領域のエネルギバンドギャップは、基板１０１のエネルギバンドギャップよりも狭い。利用可能な活性領域１０６は、特に限定するものではないが、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの任意の組み合わせから成る単層または多層の構造を含む。ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合、活性領域１０６の例は、特に限定するものではないが、ＩｎＡｓ，Ｉｎ_ｌ−ｘＧａ_ｘＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_{ｌ−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｙＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_ｌ−ｘＡｓ_ｌ−ｙＮ_ｙ、または同様の材料が挿入された構造を含む。

従来の端面発光レーザーの主な欠点の１つは、エネルギバンドギャップが温度に応じて変動するため、特に、高出力動作では、放射光の波長の望ましくない温度依存性が生じることである。他の欠点は、幅の広いビーム広がりである。

図１（ｂ）に、従来の面発光レーザー、特に、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）１２０を模式的に示す。活性領域１２６は、共振器１２３内に配置されて、ｎ型ドープ底部ミラー１２２とｐ型ドープ上部ミラー１２８との間に挟まれる。共振器１２３は、ｎ型ドープ層１２４と、閉じ込め層１２５と、ｐ型ドープ層１２７とを含む。各ブラッグ反射器は、低屈折率および高屈折率を有する交代層の周期配列を含んでおり、これらのブラッグ反射器は、底部ミラー１２２および上部ミラー１２８として利用される。活性領域１２５は、順方向バイアス１１３が印加されたときに光を生成する。光は、光学開口部１３２から射出１３５する。ＶＣＳＥＬからの放射レーザー光の波長は、共振器１２３の長さによって決定される。

底部ミラー１２２を構成する層は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、ドナー不純物によってドープされ、さらに、高屈折率と低屈折率を交互に有する。ＧａＡｓ基板上に成長させたＶＣＳＥＬでは、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓから成る交代層、またはアルミニウム含有物を交互に有するＧａＡｌＡｓの層が、ミラー１２２を形成することが好ましい。

共振器１２３のｎ型ドープ層１２４は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。

共振器１２３のｐ型ドープ層１２７は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。

上部ミラー１２８を構成する層は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、アクセプタ不純物がドープされ、さらに、高屈折率と低屈折率を交互に有する。ＧａＡｓ基板上に成長させたＶＣＳＥＬでは、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓから成る交代層、またはアルミニウム含有物を交互に有するＧａＡｌＡｓの層が、ミラー１２８を形成することが好ましい。

ｐ型コンタクト層１２９は、アクセプタ不純物がドープされた材料から形成される。ＧａＡｓ基板上に成長させたＶＣＳＥＬについて、好ましい材料はＧａＡｓである。ドーピングレベルは、上部ミラー１２８のドーピングレベルよりも高いことが好ましい。ｐ型コンタクト層１２９および金属ｐ接点１１２をエッチングして、光学開口部１３２を形成する。

閉じ込め層１２５は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつドープされないか、または微弱にドープされる。閉じ込め層は、好ましくは、基板１０１と同じ材料から形成される。

閉じ込め層１２５内に配置された活性領域１２６は、挿入によって形成されることが好ましく、活性領域のエネルギバンドギャップは、基板１０１のバンドギャップよりも狭い。利用可能な活性領域１２６は、特に限定するものではないが、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの任意の組み合わせから成る単層または多層の構造を含む。ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合、活性領域１２６の例は、特に限定するものではないが、ＩｎＡｓ，Ｉｎ_ｌ−ｘＧａ_ｘＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_{ｌ−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｙＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_ｌ−ｘＡｓ_ｌ−ｙＮ_ｙ、または同様の材料が挿入された構造を含む。

活性領域１２６は、順方向バイアス１１３が印加されたときに光学利得を生成する。次に、活性領域１２６が光を放射すると、その光は、底部ミラー１２２と上部ミラー１２８の間で跳ね返る。これらのミラーは、ｐ−ｎ接合面の法線方向に伝搬する光に対して高い反射性を有するが、底部ミラー１２２の反射率は、上部ミラー１２８の反射率よりも高い。したがって、ＶＣＳＥＬ設計は、垂直方向に伝搬する光についての正帰還を提供し、最終的には、レイジングを発生させる。レーザー光１３５は、光学開口部１３２から出射する。

ＶＣＳＥＬの主な利点の１つは、デバイスが単一横モードで動作する場合の波長の温度安定性である。波長の温度変化は、屈折率の温度変化に追従し、この屈折率の温度変化は、半導体バンドギャップエネルギの変動よりも一桁小さい。ＶＣＳＥＬの深刻な欠点は、ＶＣＳＥＬの出力が数ミリワットに限定されることで、これは、ＶＣＳＥＬ形状内での効果的な放熱を行って単一横モード動作を維持することができず、周波数変換に適した高出力密度を提供することが困難であるためである。ＶＣＳＥＬの他の欠点は、共振器の厚さによって波長が規定されるため、デバイスの柔軟性に欠けることである。

米国特許出願第１１／４５３，９８０号明細書 米国仮特許出願第６０／８１４，０５３号明細書 米国特許出願第１１／６４８，５５１号明細書 米国特許第７，０３１，３６０号明細書 米国特許出願第１０／９４３，０４４号明細書 米国特許出願第１１／１９４，１８１号明細書 米国特許出願第１１／０００，１１６号明細書

Ａ．Ｙａｒｉｖ、Ｐ．Ｙｅｈ著「結晶内の光波、レーザー放射の伝搬および制御」第６章（Ｗｉｌｅｙ出版、１９８４年） Ｈ．Ｃ．Ｃａｓｅｙ，Ｊｒ．、Ｍ．Ｂ．Ｐａｎｉｓｈ著「ヘテロ構造レーザー、Ａ巻」３４〜５７ページ（ニューヨーク州Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、１９７８年） Ｎ．Ｎ．Ｌｅｄｅｎｔｓｏｖ， Ｖ．Ａ．Ｓｈｃｈｕｋｉｎ"Ｎｏｖｅｌ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｆｏｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｌａｓｅｒｓ"ＳＰＩＥ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｖｏｌｕｍｅ４１，Ｉｓｓｕｅ１２，ｐｐ．３１９３−３２０３（２００２） Ｎ．Ｎ．Ｌｅｄｅｎｔｓｏｖ， Ｖ．Ａ．Ｓｈｃｈｕｋｉｎ， Ｓ．Ｓ．Ｍｉｋｈｒｉｎ， Ｉ．Ｌ．Ｋｒｅｓｔｎｉｋｏｖ， Ａ．Ｖ．Ｋｏｚｈｕｋｈｏｖ， Ａ．Ｒ．Ｋｏｖｓｈ， Ｌ．Ｙａ．Ｋａｒａｃｈｉｎｓｋｙ， Ｍ．Ｖ．Ｍａｘｉｍｏｖ， Ｉ．Ｉ．Ｎｏｖｉｋｏｖ， Ｙｕ．Ｍ．Ｓｈｅｒｎｙａｋｏｖ"Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｔｉｌｔｅｄ ｃａｖｉｔｙ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ ｌａｓｅｒ"Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．Ｓｃｉｅｎｃｅ．ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９， ｐｐ．１１８３−１１８８（２００４）． Ｖ．Ａ．Ｓｈｃｈｕｋｉｎ， Ｎ．Ｎ．Ｌｅｄｅｎｔｓｏｖ， Ｓ．Ｓ．Ｍｉｋｈｒｉｎ， Ｉ．Ｌ．Ｋｒｅｓｔｎｉｋｏｖ， Ａ．Ｖ．Ｋｏｚｈｕｋｈｏｖ， Ａ．Ｒ．Ｋｏｖｓｈ， Ｌ．Ｙａ．Ｋａｒａｃｈｉｎｓｋｙ， Ｍ．Ｖ．Ｍａｘｉｍｏｖ， Ｉ．Ｉ．Ｎｏｖｉｋｏｖ， Ｙｕ．Ｍ．Ｓｈｅｒｎｙａｋｏｖ"Ｔｉｌｔｅｄ Ｃａｖｉｔｙ Ｌａｓｅｒ"．Ｉｎ：Ｎａｎｏｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｅｄ．ｂｙＡ．Ｌａｋｈａｋｉａ ａｎｄ Ｓ．Ａ．Ｍａｋｓｉｍｅｎｋｏ，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ ５５０９，ｐｐ．６１−７１（２００４），ＳＰＩＥ， Ｂｅｌｉｎｇｈａｍ，ＷＡ． Ｎ．Ｎ．Ｌｅｄｅｎｔｓｏｖ， Ｖ．Ａ．Ｓｈｃｈｕｋｉｎ， Ａ．Ｒ．Ｋｏｖｓｈ， Ｓ．Ｓ．Ｍｉｋｈｒｉｎ， Ｉ．Ｌ．Ｋｒｅｓｔｎｉｋｏｖ， Ａ．Ｖ．Ｋｏｚｈｕｋｈｏｖ， Ｎ．Ｙｕ．Ｇｏｒｄｅｅｖ， Ｌ．Ｙａ．Ｋａｒａｃｈｉｎｓｋｙ， Ｍ．Ｖ．Ｍａｘｉｍｏｖ， Ｉ．Ｉ．Ｎｏｖｉｋｏｖ， Ｙｕ．Ｍ．Ｓｈｅｒｎｙａｋｏｖ，"Ｅｄｇｅ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ‐Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｔｉｔｌｅｄ Ｃａｖｉｔｙ Ｌａｓｅｒｓ"，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ ５７７２，ｐｐ．１３０−１４６（２００５）． Ｖ．Ａ．Ｓｈｃｈｕｋｉｎ， Ｎ．Ｎ．Ｌｅｄｅｎｔｓｏｖ， Ｎ．Ｙｕ．Ｇｏｒｄｅｅｖ， Ｌ．Ｙａ．Ｋａｒａｃｈｉｎｓｋｙ， Ｎ．Ｖ．Ｋｒｙｚｈａｎｏｖｓｋａｙａ， Ｓ．Ｍ．Ｋｕｚｎｅｔｓｏｖ， Ｍ．Ｂ．Ｌｉｆｓｈｉｔｓ， Ｍ．Ｖ．Ｍａｘｉｍｏｖ， Ｉ．Ｉ．Ｎｏｖｉｋｏｖ， Ｙｕ．Ｍ．Ｓｈｅｒｎｙａｋｏｖ， Ｔ．Ｋｅｔｔｌｅｒ， Ｋ．Ｐｏｓｉｌｏｖｉｃ，ａｎｄ Ｄ．Ｂｉｍｂｅｒｇ，"Ｈｉｇｈ ｂｒｉｌｌｉａｎｃｅ ｐｈｏｔｎｉｃ ｂａｎｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｌａｓｅｒｓ"，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ ６３５０，ｐｐ．６３５００５‐１−６３５００５‐１５（２００６）． Ｍ．Ｂ．Ｌｉｆｓｈｉｔｓ， Ｖ．Ａ．Ｓｈｃｈｕｋｉｎ， Ｎ．Ｎ．Ｌｅｄｅｎｔｓｏｖ，ａｎｄ Ｄ．Ｂｉｍｂｅｒｇ，"Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｉｎ ｐｌａｎａｒ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ：ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ"，Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．２２，ｐｐ．３８０―３８４（２００７）．

スペクトル範囲が広く、かつ、出口面に垂直な方向に対する傾斜角度の範囲が広い光を表面から放射する発光デバイスを開示する。この発光デバイスは、出口面の反対側で活性領域の側部に配設された多層干渉反射器（ＭＩＲ）を含む。各角度におけるＭＩＲの反射率スペクトルは、特定の波長において最大となり、この特定の波長は角度によって異なる。

波長が安定化された光を生成する装置は、発光デバイスと、外部共振器と、少なくとも１つの外部ミラーとから構成される。予め選択された特定の角度で発光デバイスから放射された光は、外部共振器を通って伝搬し、外部ミラーに衝突して反射される。他の角度で放射された光は、外部ミラーに衝突しない。したがって、帰還は、予め選択された角度で放射された光についてのみ生じる。外部ミラーに衝突して反射された光は、放射光と干渉する。この干渉は、建設的または相殺的なものになり得、建設的干渉が、正帰還を引き起こす。正帰還は、発光デバイスによって放射された光が反射して送り返され、同相で活性領域に到達する場合、すなわち、放射光の波と反射光の波の間で位相整合が生じる場合に発生する。正帰還の条件は、活性領域の発光スペクトル内で選択される１つまたはいくつかの波長において満たされる。このとき、本装置は、波長が安定化された光を生成する。好ましい実施形態において、本装置は、波長安定化レーザー光を生成する。波長安定化光を生成する本装置は、一実施形態において、波長安定化発光ダイオードとして動作する。他の実施形態において、波長安定化光を生成する本装置は、波長安定化超光発光ダイオードとして動作する。さらに他の実施形態において、波長安定化光を生成する本装置は、波長安定化レーザーとして動作する。安定化波長は、発光デバイスから外部ミラーに向かう方向と、当該デバイスの出口面の法線との間の角度を変えることによって選択できる。

発光デバイスと外部ミラーとの間の光結合の方式が異なる、各種の実施形態を利用することができる。実施形態の１つのグループは、発光デバイスおよび外部ミラーが、発光デバイスによって放射された光の遠距離場区域を介して結合される装置を含む。

実施形態の２つ目のグループは、外部共振器が、発光デバイスの近距離場区域内に配置され、発光デバイスによって生成された光は、近距離場区域を介して外部共振器に結合される装置を含み、この装置において、外部ミラーは、発光デバイスの反対側で外部共振器に配設されることが好ましい。

実施形態の３つ目のグループは、外部共振器が、発光デバイスとエピタキシャルに結合され、かつ、発光デバイス、外部共振器、および外部ミラーが、単一のエピタキシャル構造に属する装置を含む。

実施形態の４つ目のグループは、基板が外部共振器の役割を果たし、基板の背面が外部ミラーの機能を担う装置を含む。基板の背面の一部は、衝突する光に対して鏡状の反射を提供するように処理されることが好ましい。接点は、好ましくは、基板の背面の一部から除去される。

他の一実施形態は、発光デバイスが、多層干渉反射器の代わりに、エバネセント反射器を有する装置を含む。また、２つ以上の反射器がエバネセント反射器である、さらなる実施形態も利用可能である。また、すべての反射器がエバネセント反射器である、さらに他の実施形態も利用可能である。

反射器を介してエピタキシャルに結合された２つの共振器を含む、周波数変換装置を開示する。第１共振器内に配置されることが好ましい活性領域は、一次光を生成する。第１共振器、第２共振器、および少なくとも１つの反射器のうちの少なくともいずれかの材料は、一次光の第２高調波を生成することができる。この共振器および反射器は、光の第１高調波と第２高調波の両方を透過する。共振器および反射器は、第２高調波の少なくとも１つの光モードについて、活性領域内での吸収に起因する損失が僅かだけになるように選択される。第１高調波における光の抽出を防止するために、高反射被膜が塗布される。これにより、本装置は、第２高調波で波長安定化光を放射する。

発光デバイスと、外部共振器と、少なくとも１つの外部ミラーと、外部共振器内に設けられた非線形結晶とから成る、周波数変換装置を開示する。発光デバイスと、外部共振器と、少なくとも１つの外部ミラーとで、一次波長安定化レーザー光を放射する波長安定化レーザーを形成する。非線形結晶は、一次光の光路が、当該非線形結晶を通り、その結果、第２高調波の波長安定化光が生成されるように、外部共振器内に配置される。

従来の端面発光レーザーを示す図である。 ドープされたミラーを備える従来の垂直共振器面発光レーザーを示す図である。 周期的多層構造を模式的に示す図である。 ６５度の入射角における、多層周期構造の従来の反射率スペクトルを示す図である。 ５５度の入射角における、多層周期構造の従来の反射率スペクトルを示す図である。 ４０度の入射角における、多層周期構造の従来の反射率スペクトルを示す図である。 垂直入射における、多層周期構造の従来の反射率スペクトルを示す図である。 従来の傾斜共振器レーザーを示す模式図である。 共振器の落ち込みが角度によって大きく変化している、３つの異なる入射角における高フィネス共振器の反射率スペクトルを示す図である。 最大ストップバンドが角度に応じて僅かに変化している、３つの異なる入射角における多層干渉反射器の反射率スペクトルを示す図である。 高フィネス共振器を示す図である。 多層干渉反射器を示す図である。 傾斜共振器レーザーの導波路を示す図である。 １２９０ｎｍの波長用に設計された傾斜共振器レーザーについての、２７℃および１２７℃の２つの異なる温度における漏れ損失のスペクトルを示し、１００℃の温度変化に対して２５ｎｍだけ共振波長が変化することを表した図である。 外部共振器を有する、従来の垂直共振器面発光レーザーを示す模式図である。 波長のスペクトルが広く、かつ、発光デバイスの上面に垂直な方向から屈折される角度間隔が広い光を放射する、本発明の一実施形態に係る発光デバイスを示す模式図である。 波長のスペクトルが広く、かつ、基板の底面に垂直な方向から屈折される角度間隔が広い光を放射する、本発明の他の一実施形態に係る発光デバイスを示す模式図である。 波長のスペクトルが広く、かつ、発光デバイスの上面に垂直な方向から屈折される角度間隔の広い光を放射し、前記光は、当該発光デバイスの上面の光学開口部から放射される、本発明の他の一実施形態に係る発光デバイスを示す模式図である。 波長のスペクトルが広く、かつ、基板の底面に垂直な方向から屈折される角度間隔の広い光を放射し、前記光は、底部接点内の窓から放射される、本発明のさらに他の実施形態に係る発光デバイスを示す模式図である。 波長の安定化を行わずに光を放射する発光デバイスと、外部共振器と、２つの外部ミラーとを含み、位相整合基準が満たされる波長において光を生成することで、波長安定化レーザー放射を提供する、本発明の第１実施形態に係る装置を示す図である。 波長安定化を行わずに光を放射する発光デバイスと、外部共振器と、２つの外部ミラーとを含み、位相整合基準が満たされる波長において光を生成することで、波長安定化レーザー放射を提供する、本発明の第２実施形態に係る装置を示す図である。 共振器内周波数変換が利用される、本発明の第３実施形態に係る周波数変換装置を示す模式図である。 本発明の第４実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 一次光が、近距離場区域を介して、外部で非線形結晶に結合される、本発明の第５実施形態に係る周波数変換装置を示す模式図である。 発光デバイスが、近距離場区域を介して、外部共振器に結合される、本発明の第６実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 ２つの結合された共振器の傾斜光モードに対応する分散法則曲線を模式的に示した、本発明の装置の波長安定化動作を説明する図である。 発光デバイスと、外部共振器と、外部ミラーとを、単一のエピタキシャル構造としてエピタキシャル成長させた、本発明の第７実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 本発明の第８実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 本発明の第９実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 本発明の第１０実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 共振器の材料内で第２高調波の生成が行われ、第２高調波の光が好ましく放射される、本発明の第１１実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 図２０（ａ）の実施形態のデバイスの２つの結合された共振器の分散曲線を示す模式図である。 本発明の第１２実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 本発明の第１３実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 本発明の第１４実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 基板が外部共振器として動作する、本発明の第１５実施形態に係る、波長安定化光を生成する装置を示す模式図である。 共振波長を調整するために誘電体層が蒸着される、本発明の第１６実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 従来の端面発光デバイスを示す模式図である。 結晶から出射する漏れ成分を有する、従来の端面発光レーザーを示す模式図である。 底部の合金された金属接点によって部分的に反射される漏れ成分を有する従来のデバイスを示す模式図である。 図２６（ａ）のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。 図２６（ｂ）のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。 図２６（ｃ）のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。 従来の漏れ型端面発光デバイスにおける導波路の構造を示す図である。 図２８（ａ）の構造の屈折率分布を示す図である。 本発明の第１７実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 図２９（ａ）のデバイスをより詳細に示す模式図である。 基板表面からの反射が存在する本発明のデバイスを、実現可能な処理配線の一例と共に示す模式図である。 図２９（ａ）の実施形態のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。 図２９（ａ）の実施形態のデバイスの発光スペクトルを模式的に示すグラフである。 第２外部共振器をさらに含む、本発明の第１８実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 第２外部共振器内に非線形結晶が導入される、本発明の第１９実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 放射光の一部が光ファイバに結合される、本発明の第２０実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 放射光の一部が光ファイバに結合され、他の部分は、波長選択フィルタまたは回折格子を有するミラーから反射される、本発明の第２１実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 光の射出角度は放射波長の関数である、本発明の第２２実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図であり、この角度の調整によって、図２８のスペクトルから特定の放射波長を選択することができる。 高反射被膜および特殊な反射防止被膜が装置に塗布される、本発明の第２３実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 放射の漏れ角度に対して最適化される一方で、従来の平面導波路放射を後方反射させる、図３４（ａ）の実施形態の装置の反射防止被膜の反射率スペクトルを模式的に示す図である。 誤配向された基板または高指数基板が、エピタキシャル成長に利用される、本発明の第２４実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。 レンズを利用して、２ローブ放射を平行なビームまたは任意の発散ビームに変換する、本発明の第２５実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。

半導体ダイオードレーザーや発光ダイオードなどの光電子デバイスの性能を実質的に拡張できる手法は、傾斜光モードを利用することを含む。この概念は、多層構造の基礎的物理特性、すなわち、斜め入射または傾斜した入射における電磁波の伝搬、透過、および反射の法則に基づいたものである。図２（ａ）は、周期的多層構造２００の一例を示す図である。図２（ｂ）〜図２（ｅ）は、いくつかの異なる傾斜角θに対応した、周期的多層構造２００の反射率スペクトルを示す図で、前記傾斜角θは、伝搬するＴＥ電磁波が前記構造に衝突する角度である。図２（ｂ）は、６５度の入射角における反射率スペクトルを示し、図２（ｃ）は、５５度の入射角での反射率スペクトルを示し、図２（ｄ）は、４０度の入射角について表し、図２（ｅ）は、垂直入射に対応した図である。光の斜め入射、または傾斜した入射における多層構造の特性は、非特許文献１に記載されている。具体的な例において、光は、屈折率ｎ_１＝３．６である媒体から構造に衝突し、当該構造は１５周期を含み、各周期は、さらに、低屈折率ｎ_２＝３．４を有するΛ／２の厚さの１つの層と、高屈折率ｎ_１＝３．６を有する、同じΛ／２の厚さの１つの層とを含む。反射率は、電磁波の周波数ωの関数として描画され、ωは、ｃ／Λの単位で測定される。ここで、ｃは、真空内における光の速度を表す。

図２（ｂ）〜図２（ｅ）に示した主な特性は、次のとおりである。θ＝０の垂直入射（図２（ｅ））において、反射率スペクトルには、振幅の小さい幅狭のスパイクが見られる。角度θが大きくなるにつれて（図２（ｄ）、図２（ｃ）、図２（ｂ））、スパイクがより高い周波数域に移動するため、波長が短くなり、スパイクの振幅が大きくなると共に、スパイクが幅広になり、反射率が１に近いストップバンドを形成する。多層構造からの電磁波の反射率が入射角に強く依存するこの特性は、傾斜共振器半導体ダイオードレーザーの概念の土台である。このレーザーは、レデントソフ（Ｌｅｄｅｎｔｓｏｖ）他による特許文献４に開示されており、この特許を、本願明細書の一部として援用する。この傾斜共振器レーザーにおいて、光は、多層干渉ミラー（ＭＩＲ）に対して所定の角度で伝搬し、ＭＩＲおよび共振器は、傾斜した光子伝搬のために最適化される。

図３に示す傾斜共振器レーザー３００は、ｎ型ドープ基板１０１上にエピタキシャル成長されて、ｎ型ドープ底部多層干渉反射器（ＭＩＲ）３０２と、共振器３０３と、ｐ型ドープ上部多層干渉反射器３０８と、ｐ型コンタクト層３０９とを含む。共振器３０３は、ｎ型ドープ層３０４と、閉じ込め層３０５と、ｐ型ドープ層３０７とを含む。閉じ込め層３０５は、活性領域３０６をさらに含む。レーザー構造３００は、横方向平面において、後部ファセット３１７および前部ファセット３１６によって境界が画定される。共振器３０３、ならびに多層干渉反射器３０２および３０７は、共振器の共振条件と多層干渉反射器の共振条件とが、１つの傾斜光モード３２０に関してのみ満たされて、光が、特定の傾斜角で伝搬し、かつ、特定の波長を持つように設計される。後部ファセット３１７が高反射被膜で被覆されている場合、出力レーザー光３１５は、前部ファセット３１６からのみ出射する。傾斜共振器レーザーのこの設計の特徴は、波長安定化と高出力とを同時に得られることである。共振器３０３は、底部ＭＩＲ３０２および上部ＭＩＲ３０８と共に、傾斜光モードでレイジングが生じるように設計されるため、共振器３０３は、ここでは「傾斜共振器」と呼ばれる。傾斜共振器レーザーの欠点は、レーザーが製造された後で、波長を特定の値に同調または調節することができないことである。

底部多層干渉反射器３０２を形成する層は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、ドナー不純物がドープされ、さらに、高屈折率と低屈折率とを交互に有する。ＧａＡｓ基板上に成長させた傾斜共振器レーザーでは、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓとから成る交代層、またはアルミニウム含有物を交互に有するＧａＡｌＡｓの層がミラーを形成することが好ましい。

共振器３０３のｎ型ドープ層３０４は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。

共振器３０３のｐ型ドープ層３０７は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。

上部多層干渉反射器３０８を構成する層は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、アクセプタ不純物がドープされ、さらに、高屈折率および低屈折率を交互に有する。ＧａＡｓ基板上に成長させた傾斜共振レーザーでは、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓとから成る交代層、またはアルミニウム含有物を交互に有するＧａＡｌＡｓの層がミラーを形成することが好ましい。

ｐ型コンタクト層３０９は、アクセプタ不純物がドープされた材料から形成される。ＧａＡｓ基板上に成長させた傾斜共振器レーザーについて、好ましい材料はＧａＡｓである。ドーピングレベルは、上部多層干渉反射器３０８におけるドーピングレベルよりも高いことが好ましい。

閉じ込め層３０５は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつドープされないか、または微弱にドープされる。閉じ込め層は、基板１０１と同じ材料から形成されることが好ましい。

閉じ込め層３０５内に配置された活性領域３０６は、挿入によって形成されることが好ましく、この活性領域のエネルギバンドギャップは、基板１０１よりも狭い。利用可能な活性領域３０６は、特に限定するものではないが、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの任意の組み合わせから成る単層または多層の構造を含む。ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合、活性領域３０６の例は、特に限定するものではないが、ＩｎＡｓ，Ｉｎ_ｌ−ｘＧａ_ｘＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_{ｌ−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｙＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_ｌ−ｘＡｓ_ｌ−ｙＮ_ｙ、または同様の材料が挿入された構造を含む。

傾斜共振器レーザー３００の動作を説明するために重要であるので、光モードの有効モード角について説明する。

本発明の実施形態のほとんどにおいて、発光デバイスは、ｐ−ｎ接合平面に垂直な方向において屈折率が変調される多層構造を含む。このため、基準座標系は、ｐ−ｎ接合平面がｘｙ平面になるように規定される。屈折率ｎは、ｚ方向ｎ＝ｎ（ｚ）において変調される。次に、任意の光モードにおいて、電場（Ｅ）および磁場（Ｈ）の時間空間的振る舞いは、次のように記述される。

上式において、ωは光の周波数、β_ｘおよびβ_ｙは伝搬係数であり、Ｒｅは、複素数の実数部を表し、指数ｉ＝ｘ，ｙ，ｚである。ｘおよびｙ軸は、伝搬係数が次式を満たすように定義されるものとする。

ここで、横電場（ＴＥ）光モードに関して、マクスウェルの方程式は、電場Ｅ_ｙ（ｚ）のゼロでない成分についてのみスカラー方程式に変換されて次のように記述される。

このことは、非特許文献２に既に示されている。光電子デバイスに利用される最も実用的な構造は、各ｉ番目の層内の屈折率が一定であり、かつ、

となる層状構造である。ここで、ｉ番目の層における数式（３）の解は、２つの波の一次結合として次のように記述することができる。

上式において、

である。または、次のように記述されてもよい。

上式において、

である。

数式（５ｂ）において、ｉ番目の層内の電場が、２つの進行波の組み合わせである定在波である場合、この特定のｉ番目の層内の進行波は、ｚ軸に対してθまたは−θの角度で伝搬する。ここで、θは次のように表される。

数式（６ｂ）の場合、ｉ番目の層内の電場は、増加かつ減少する指数関数の組み合わせであり、角度を定義することができない。

図２には、光学的特性、たとえば、任意の多層構造の反射係数または透過係数は、電磁波の入射角に大きく依存することが示されている。多層構造のこの特性は、本発明のすべての実施形態に利用されている。したがって、各種の光モードをその伝搬角度で特徴付けると都合がよい。数式（７）に従って角度が定義されると、その角度は、層が異なると異なったものになる。以下、本明細書では、下記の規定を使用する。１つの層は、参照層として固定され、当該参照層の屈折率は、ｎ_０と表される。この層には、高屈折率を有する層、好ましくは、最大屈折率ｎ_ｍａｘを有する層、または最大屈折率に近い屈折率を有する層を選択すると便利である。たとえば、ＧａＡｓおよびＧａ_ｌ−ｘＡｌ_ｘＡｓの層を含む多層構造において、必須ではないが、ＧａＡｓの層を参照層として選択すると都合がよい。通常、Ｇａ_ｌ−ｘＡｌ_ｘＡｓのすべての層は、ＧａＡｓの参照層よりも低い屈折率を持ち、光モードは、次式で表される関係に従った伝搬定数を有する。

また、参照層内の光モードの電場は、数式（５ａ）に係る進行波を結合したものである。したがって、ＧａＡｓ層における伝搬角度を、数式（７）に従って定義することができる。

たとえば、量子井戸層、量子細線層、または量子ドット層内のＩｎＡｓ層またはＧａＩｎＡｓ層が構造に存在する場合、これらの層の屈折率は、ＧａＡｓの屈折率よりも高いものになり得る。ただし、これらの層の厚さは、通常、極めて小さいため、これらの層が、光モードの伝搬定数βに大きな影響を与えることはなく、光モードに対して、依然として次式の関係が成り立つ。

したがって、以下では、すべての光モードに対して、次の式に従って角度θが割り当てられる。

上式において、ｎ_０は、参照層の屈折率である。ＧａＡｓベースの光電子デバイスでは、ＧａＡｓ層が参照層として選択される。なお、構造内にこのような層が存在せず、存在しているすべての層が、参照層よりも低い屈折率を有する場合であっても、１つの層を参照層として選択できることを注記しておく。たとえば、その構造が、アルミニウム組成ｘの値がそれぞれ異なる複数のＧａ_ｌ−ｘＡｌ_ｘＡｓ層を含み、当該構造内にＧａＡｓの層が存在しない場合であっても、依然として、角度θを定義するために、参照層としてＧａＡｓの層を選択することが可能である。

角度θによって光モードを記述する主な利点は、下記のことに関連する。光電子デバイスの完成した層状構造について考える際に、光モードは、数式（３）の解から特定される。このとき、各光モードは、その光モードの伝搬定数βと、対応する伝搬角度θとを有し、この伝搬角度θは数式（１０）によって定義される。この場合、光モードをその伝搬定数または角度によって記述することは同等である。

デバイス全体についてではなく、デバイスの単一の要素の光学的特性について考えると、著しい差異が顕現する。そこで、光モードは、単一の要素に関しては定義されない。ただし、単一の要素の光学的特性は、特定の入射角における当該要素の反射率スペクトルを検討する場合に記述される。たとえば、下記に説明する方法では、少なくとも１つの共振器と、少なくとも１つの多層干渉反射器（ＭＩＲ）とを含む傾斜共振器レーザーを構築する。この共振器およびＭＩＲは、共振器が、反射率スペクトル内に幅狭の落ち込みを有し、ＭＩＲが、反射率スペクトル内にストップバンドを有し、さらに、特定の最適な傾斜角において、共振器の落ち込みと、最大ストップバンド反射率とが、特定の波長で一致するように設計される。傾斜角が最適角度から外れるにつれて、共振器の落ち込みは、最大ストップバンド反射率から乖離してゆく。このような手法により、漏れ損失の選択性が保証されると共に、レーザーの波長安定化動作が提供される。

重要であるので、特定の用語について定義しておく。傾斜角θによって特徴付けられる所定の光モードに関して、他の層内の電場は、数式（５ａ）の場合のように発振しているか、または、数式（６ａ）の場合のような指数関数的に増加かつ指数関数的に減少する指数の一次結合である。このことから、ミラーまたは反射器についての用語を指定することができる。ミラーが１つまたは複数の層を含み、その複数の層それぞれにおいて、所定の光モードの電場が、数式（６ａ）と同様に、指数関数的に増加かつ指数関数的に減少する指数の一次結合である場合、このミラーは、全内部反射器、またはエバネセント反射器と呼ばれる。ミラーが１つまたは複数の層を含み、その複数の層のうちの少なくとも１つの層において、所定の光モードの電場が、数式（５ａ）に対応する発振動作を示す場合、このミラーは、干渉反射器と呼ばれる。ほとんどの実施形態は、複数の層を有する反射器を含むため、本発明は、主に、多層干渉反射器（ＭＩＲ）を扱うものである。また、同じ単層または多層の構造が、光モードに応じて、エバネセント反射器または干渉反射器のいずれかになることに留意されたい。

図４は、本発明の発明者らによって発明された、特許文献４および特許文献５に係る、傾斜共振器レーザー３００における波長安定化の原理を示す図である。この波長安定化は、波長の関数としての基板への漏れ損失の選択性に基づいたものである。この漏れ損失は、構造の反射率スペクトル内の落ち込み幅に対応する。図４（ｃ）は、共振器４１０傾斜共振器レーザー構造を模式的に示す図である。これは、高フィネス共振器４１０で、この共振器４１０において、高指数層４１５は、２つの低指数層４１２および４１７の間に挟まれて、所定の傾斜角θについて、光モードが、エバネセント波の形式で層４１２および４１７内に存在するように構成される。すなわち、傾斜角θは、参照層と、各低指数層４１２，４１７との間の界面における全内部反射の角度より大きい。

図４（ａ）は、傾斜角θの３つの異なる値における高フィネス共振器の反射率スペクトルを示す図である。図４（ｃ）に模式的に図示されている共振器のパラメータは次のとおりである。層４１５は、３６５ｎｍの厚さを持ち、ｘ＝０．６であるＧａ_ｌ−ｘＡｌ_ｘＡｓによって形成されている。層４１２および４１７は、それぞれ１０００ｎｍの厚さを持ち、ｘ＝０．８であるＧａ_ｌ−ｘＡｌ_ｘＡｓによって形成されている。１１００ｎｍの波長の光に対するこれらの層の屈折率は、それぞれ３．１６８８および３．０５８５に等しい。図４（ａ）の反射率スペクトルの主な特徴は、約６００ｎｍ／度という、落ち込み位置の角度に応じた素早い変化である。

図４（ｄ）は、高屈折率４２１および低屈折率４２２からなる交代層の周期構造を含む多層干渉反射器４２０を模式的に示す図である。図４（ｂ）は、３つの異なる角度における、図４（ｄ）の多層干渉反射器の反射率スペクトルを模式的に示す図である。この多層干渉反射器のパラメータは次のとおりである。層４２１は、ＧａＡｓによって形成されて、１７４ｎｍの厚さを有する。層４２２は、ｘ＝０．１のＧａ_ｌ−ｘＡｌ_ｘＡｓによって形成されて、１８７ｎｍの厚さを有する。１１００ｎｍの波長に対する屈折率は、それぞれ３．４８１２および３．４３２８である。図４（ｂ）の反射率スペクトルの主な特徴は、約１００ｎｍ／度という、最大反射率の角度についての比較的ゆっくりとした変動である。

図４（ｅ）は、高フィネス共振器４１０および多層干渉反射器４２０から成る構造４００を模式的に示す図である。この構造の主要な特性は、２つの構成要素の反射率スペクトルの特徴が、際立って異なる割合で角度θに応じて変化することである。したがって、これらの特徴が特定の角度における波長と一致する場合、２つの構成要素は、角度の変化に応じて離れていくことになる。つまり、形成された構造の反射率スペクトルは、特定の角度および特定の波長において、比較的幅の狭い落ち込みを有し、この落ち込みは、他の角度では非常に広くなる。表１に、結果的に得られる落ち込み幅を示す。

構造４００および同様の傾斜共振器構造の傾斜光モードのモード分析により、反射率スペクトル内の落ち込み幅が狭くなることは、光の波長に応じた漏れ損失が最小になることに対応する。この損失が最小になる最適な波長は、高フィネス共振器と多層干渉反射器の間の整合条件によって規定される。温度変動によって屈折率が変化すると、共振波長も同様に変化する。

図５は、２７℃の温度において１２９０ｎｍでレーザー光を放射するように設計された傾斜共振器についての、波長に対する漏れ損失の依存性を示す図である。この傾斜共振器は、本発明で開示する概念に従って設計されるが、層の厚さは、必要な波長である１２９０ｎｍに対応して調整される。図５は、２７℃および１２７℃の２種類の温度における漏れ損失の波長に対する依存性を示している。最小の漏れに対応する波長は、温度が１００度上昇すると、２５ｎｍだけ変化する。したがって、平均波長変化は、０．２５ｎｍ／度である。すなわち、傾斜共振器レーザーにおけるレイジング波長の温度変化は、半導体の電子エネルギバンドギャップの温度変化に追従する利得スペクトルの高速変化ではなく、むしろ、構成要素材料の屈折率の低速変化によって規定される。

図６は、外部共振器を有する垂直共振器面発光レーザーを模式的に示す図である。装置５００は、発光デバイス５３０と、一方の側において前記デバイス５３０の出口面５３２に隣接し、他方の側において外部ミラー５９０に隣接する外部共振器５８０とを含む。発光デバイス５３０は、基板１０１上にエピタキシャル成長されて、底部ミラー１２２と、第１共振器１２３と、上部ミラー５２８とを含む。図１（ｂ）のＶＣＳＥＬとは異なり、上部ミラー５２８はむしろ薄型で、レイジングに必要な帰還を提供しない。このデバイス５３０は、単独で、スペクトル間隔が広く、かつ角度間隔も広い光を放射する発光ダイオードとして動作する。デバイス５３０によって、出口面に垂直な方向以外の各方向に放射された光５８４は、外部ミラー５９０に衝突しない。この光については帰還が生じない。デバイス５３０によって、出口面に垂直な方向に放射された光５８５は、外部ミラー５９０に衝突し、そこで反射して送り返されて活性領域１２６に到達する。波長によって異なるが、反射光および放射光は、建設的干渉または相殺的干渉のいずれかを提示する。建設的干渉が生じる指定の波長では、レイジングに必要な正帰還が提供される。装置５００は、半透明であることが好ましい外部ミラー５９０から出射する光５３５を生成する。

本発明において、傾斜光モードにおける光の伝搬および当該モードの特性は、これまでとは全く異なる方式で利用される。図７は、本発明の実施形態の１つに係る発光デバイスを示す図である。このデバイス６００は、基板１０１の上面の底部多層干渉反射器（ＭＩＲ）６０２と、能動素子６０３と、上部クラッド層６５８とを含む。このデバイスは、基板１０１上にエピタキシャル成長される。能動素子６０３の内部にｐ−ｎ接合要素６０５が配置される。本デバイスは次にように動作する。光は、能動素子６０３内で、活性領域の発光スペクトル内の異なる複数の波長で生成される。デバイスの上面６９０は、出口面である。伝搬の各特定角度において、ＭＩＲ６０２は、特定の反射率スペクトルを有する。この反射率スペクトルは、角度に応じて変化する。ＭＩＲ６０２を通り、さらに基板に至る光は、上面から出射しない。したがって、所定の傾斜角θで上面から放射される光のスペクトルは、その角度におけるＭＩＲ６０２の反射率によって決定される。所定の角度θで放射される最大光度は、同角度においてＭＩＲ６０２の反射率が最大になる波長において達成される。したがって、ＭＩＲ６０２内の層の順序を選択することによって、発光デバイス６００の角度放射スペクトルを制御することができる。図７の実施形態において、ＭＩＲからの最大反射率に対応する波長は、傾斜角θに応じて減少する。本発明の他の実施形態において、ＭＩＲからの最大反射率に対応する波長は、傾斜角θに応じて増加する。

なお、発光が最大強度に達する波長は、垂直入射におけるＭＩＲの最大反射率には一致しないことに留意されたい。逆に、最大反射率および発光スペクトルの重複は、出口面に垂直な方向に対する特定の角度において生じる。この角度は、空中において２０度より大きいことが好ましい。また、この角度は、発光デバイスから出射する光が半導体媒体中を進行する場合は、５度より大きいことが好ましい。

発光デバイス６００は、発光ダイオードとして、好ましくは、超光発光ダイオードとして動作することができる。本発明の他の一実施形態において、発光デバイス６００は、半導体ダイオードレーザーとして動作できるが、波長安定化レーザーとしては動作しない。

発光デバイス６００の活性領域の発光は、当該活性領域に電流を注入することによって提供される。本発明の他の一実施形態において、発光は、前記活性領域の光励起によって提供される。

図８は、本発明の他の一実施形態に係る発光デバイスを示す図である。このデバイス７００は、基板１０１と、能動素子７０３と、上部ＭＩＲ７０８と、上部クラッド層６５８とを含む。ｐ−ｎ接合要素７０５は、能動素子７０３内に配設されることが好ましく、前記能動素子７０３において、光は、活性領域の発光スペクトル内の異なる複数の波長で生成される。基板の背面７９０は出口面である。伝搬の各特定角度において、ＭＩＲ７０８は、特定の反射率スペクトルを有する。このＭＩＲの反射率スペクトルは、角度に応じて変化する。ＭＩＲ７０８に衝突する光は、当該ＭＩＲを構成する複数の層間の界面において複数回の反射を経験する。傾斜角度がθであるとすると、この角度においてＭＩＲに衝突する光についてのＭＩＲ７０８の反射率スペクトルは、特定の波長において最大となる。反射された光は、基板１０１に到達し、さらに、基板の裏側から放射される。基板の裏側は、発光デバイス７００の出口面である。したがって、所定の傾斜角では、放射光の強度は、ＭＩＲ７０８の反射率スペクトルが最大となる波長と同一の波長において最大になる。つまり、ＭＩＲ７０８内の層の順序を選択することによって、発光デバイス７００の角放射スペクトルを制御することができる。図８の実施形態において、ＭＩＲからの最大反射率に対応する波長は、傾斜角θに応じて小さくなる。本発明の他の一実施形態において、ＭＩＲからの最大反射率に対応する波長は、傾斜角θに応じて大きくなる。

図９は、本発明の他の一実施形態に係る発光デバイス８００を示す図である。このデバイス８００は、基板１０１上に成長させたｎ型ドープ底部ＭＩＲ８２２と、能動素子８２３と、ｐ型ドープ上部ＭＩＲ８２８と、上部ｐ型コンタクト層１２９とを含む。底部ＭＩＲは、ｎ型にドープされることが好ましい。能動素子８２３は、ｎ型ドープ層８２４と、閉じ込め層８２５と、ｐ型ドープ層８２７とを含む。ｐ−ｎ接合要素８２６は、閉じ込め層８２５内に配設される。ｐ−ｎ接合要素８２６は、底部接点１１１および上部接点１１２から順方向バイアス１１３が印加されたときに光を放射する。

このデバイスの上面８９０は出口面である。上面８９０上の光学開口部８３２は、放射光の波長よりもかなり大きく、当該波長の５倍以上であることが好ましい。このとき、前記開口部における光の回折は、それほど激しくはなく、発光の遠距離場ダイアグラムは、主に、能動素子８２３、底部ＭＩＲ８２２、および上部ＭＩＲ８２８の角度特性によって決定される。前記開口部８３２が横方向平面において円形の形状である場合、発光の遠距離場ダイアグラムは、軸対称なものになる。発光スペクトル内の各波長において、最大強度は、特定の極角θにおいて達成されて、方位φとは独立したものとなるため、遠距離場ダイアグラムは円錐形状になる。開口部８３２がより対称性の低い形状である場合、遠距離場も同様に対称性が低くなり、代表的な実施形態では、２つまたは４つのローブを含むものになる。

図１０に、本発明のさらに他の一実施形態に係る発光デバイス９００の投影図を示す。基板１０１上にエピタキシャル成長させたこのデバイスは、活性領域９０５をさらに包含する能動素子９０３と、上部ＭＩＲ９０８と、上部コンタクト層９０９とを含む。コンタクト層９０９の上面に、隆起部９２０が形成されており、上部接点９１２は、この隆起部９２０の上面に形成される。底部接点９１１は、基板１０１の底面側において、底部基板面を部分的にのみ覆い、被覆されない窓９４２を残すように配設される。基板の底面は出口面９９０である。光は、底部基板面９９０上の接点９１１が設けられていない底面部分において、窓９４２から出射９３５する。各波長において、放射光の最大強度は、放射光の伝搬方向と、底部基板面に垂直な方向９３０との間の角度θの関数である。

前述した実施形態は、表面の平面に垂直な方向に対してある角度を成す光を放射する面発光デバイスに関するものである。各所定の角度における放射光の強度は、波長に応じて変化し、ＭＩＲの反射率が最大になる波長において最大値に到達する。面発光デバイスのこの特徴は、本発明の下記の実施形態において、外部ミラーを有するシステムに採用されている。

図１１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置である。本装置１０００は、発光デバイス１０１０と、外部共振器１０３０と、１つまたは複数の外部ミラーとを含む。この発光デバイスは、表面の平面に垂直な方向１００５に対してθの角度で光を放射するため、遠距離場ダイアグラムは、概して多ローブ形である。これに対応して、２つ以上の外部ミラーが使用される。好ましい実施形態は、２つのローブにおいて光を放射する発光デバイスと、外部共振器と、２つの外部ミラー、第１ミラー１０１４と、第２ミラー１０２４とを含む。本実施形態において、発光デバイス１０１０の出口面とミラーの間の距離は大きく、共振器１０３０の主要部は、光の伝搬が幾何光学の法則に従う、発光デバイス１０１０の遠距離場区域である。ミラーに衝突しない角度で放射された光は喪失される。特定の角度で放射された光のみがミラーに衝突して反射し、面発光デバイスに送り返される。光１０１１は、第１ミラー１０１４に衝突し、一部は反射１０１２されるが、一部はミラーを透過して出射光１０１５を形成する。光１０２１は、第２ミラー１０２４に衝突し、反射１０２２して戻される。好ましい実施形態において、第１ミラー１０１４は半透明で、第２ミラー１０２４は透明ではない。ここで、正帰還は、特定の角度において、または、好ましくは間隔の狭い特定の角度において伝搬する光についてのみ生じる。これらの角度は、放射光１０１１が第１ミラー１０１４に到達し、第１ミラー１０１４から反射された光１０１２が発光デバイス１０１０に到達する角度であり、かつ、放射光１０２１が第２ミラー１０２４に到達し、第２ミラー１０２４から反射された光１０２２が発光デバイス１０１０に到達する角度である。角度の選択に加え、本装置１０００は、波長の選択も提供する。いずれかのミラーによって反射された光は、ある位相を持って発光デバイスの活性領域に到達する。放射光と反射光の間の建設的干渉を実現できる位相整合条件は、特定の固定波長においてのみ満たされる。実施形態によって異なるが、位相整合条件が満たされる１つまたはいくつかの波長は、発光デバイスの活性領域の発光スペクトルと重なり合う。好ましい実施形態において、位相整合条件が満たされる１つの波長のみが、発光デバイスの活性領域の発光スペクトルと重畳する。このとき、まさにその１つの波長において、レイジングが生じることになる。そして、レーザーは、波長選択レーザーとして動作することとになる。

好ましい実施形態において、ミラー１０１４および１０２４は両方とも、光を集束し、その光の方向をミラー上で変更して、発光デバイスの表面に送り返す集光ミラーである。

図１１（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置を示す模式図である。本装置１０５０は、平面鏡としての第２ミラー１０７４を含み、集光レンズ１０５６を利用して、前記ミラー上、または発光デバイスの表面上に光を集束させる。波長安定化レーザー光１０６５は、半透明の集光ミラー１０１４から出射する。本発明の他の一実施形態において、半透明の集光ミラーは平面であり、このミラーと面発光デバイスとの間に集光レンズが配置される。他の一実施形態において、ミラーは両方とも平面であり、集光レンズは、面発光デバイスの両側にそれぞれ配置される。

重要なことであるので、従来の波長選択的傾斜共振器レーザーと、本発明の波長選択レーザーとの劇的な違いを強調しておく。傾斜共振器レーザーにおいて、波長の選択は、共振器の分散法則と、ＭＩＲの分散法則との間の共通部分によって決定される。共振器の分散法則は、共振器内に閉じ込められるモードのモード角度の、波長への依存性であり、ＭＩＲの分散法則は、最大反射率の、傾斜角への依存性によって規定される。漏れ損失の最小値は、前述の共通部分において到達され、レイジングは、最小損失に対応する波長において生じる。

外部ミラーを有する本発明のレーザーにおいて、角度は、面発光デバイスから外部ミラーに向かう方向によって固定され、レイジングの波長は、放射光と反射光の間に建設的干渉を実現できる位相整合条件によって決定される。位相整合条件は、特定の波長においてのみ満たされるため、発光デバイスそのものが波長安定化される必要はない。波長安定化は外部ミラーによって提供される。実際には、発光デバイスは、波長安定化されてもよく、たとえば、本発明の実施形態の１つにおいて、波長安定化傾斜共振器レーザーとして実現されてもよい。この場合、波長の安定化は、外部ミラーによって強化される。

図１１（ｃ）は、本発明の第３実施形態に係る、周波数変換装置１１００を示す模式図である。共振器の内部に、非線形結晶が配設されている。発光デバイス１０１０と、外部共振器１０３０と、第１ミラー１１１４と、第２非透過性ミラー１０７４とを含む本装置は、波長安定化一次レーザー光を生成する。第１高調波のレーザー光の光路は、非線形結晶１１１０を通り、当該非線形結晶１１１０において、光の第２高調波が生成される。すべてのミラーは、一次光に対して非透過的であることが好ましい。１つのミラー１１１４は、好ましくは、生成された第２高調波の光に対して半透過的である。第２高調波のレーザー光１１１５は、前記ミラー１１１４から出射する。

なお、光の光路は、発光デバイスの表面に対して傾斜している。この手法の利点は、特に、非線形結晶内の光パワーが、１／ｃｏｓθ倍に拡張され、周波数変換の効率が、１／ｃｏｓ^２θ倍に拡張されることである。

図１２は、本発明の第４実施形態に係る、波長安定化レーザー光の生成装置を示す模式図である。本装置１２００は、第２導波路１２１０に結合された発光デバイス１２３０を含む。このデバイス１２３０によって、１つまたは複数の光モード３２０で生成された光は、上部ＭＩＲ３０８および出口面１２９０から出射して、第２導波路１２１０に結合される。この特定の実施形態におけるデバイス１２３０は、図３の傾斜共振器レーザーと同様に図示されている。ただし、共振器３０３、底部ＭＩＲ３０２、および上部ＭＩＲ３０８は、波長安定化を提供するように選択されたものではない。本実施形態において、複数の光モードは、第２導波路１２１０に結合される。波長選択性を提供するため、第２導波路の上面、または上面の一部に回折格子１２２５が形成される。位相整合条件は、１つまたはいくつかの選択波長についてのみ満たされるため、回折格子１２２５によって、１つの光モード１２２０の選択が行われる。このデバイスのファセット上に、高反射被膜１２１１および反射防止被膜１２１２が塗布されており、波長安定化レーザー光１２２０は、反射防止被膜１２１２から出射１２１５する。

本発明の一実施形態において、本装置は、図７および図８に示した装置のうちの１つと同様の発光デバイスを含み、この発光デバイスは、いずれの高フィネス共振器も全く含まず、本装置において、前記デバイスは、第２導波路に結合されており、生成された光は、側面ファセットから出射する。

図１３は、本発明の第５実施形態に係る周波数変換装置を示す図である。この装置１３００は、傾斜共振器レーザー１３３０と、変換要素１３１０とを含む。傾斜共振器レーザー１３３０は、当該傾斜共振器レーザーが、閉じた光モードにおいて第１高調波のレーザー光を生成するように選択される。このモードの光は、レーザー１３３０からは放射されずに、エバネセント電磁場の形式の近距離場区域内に存在する。レーザー１３３０は、近距離場区域１３８０を介して変換要素１３１０に結合される。近距離場区域１３８０は、レーザー１３３０の出口面１３９０に近接した区域である。変換要素１３１０は、非線形結晶と、後部ミラー１３１１と、前部ミラー１３１２とを含む。非線形結晶が、第１高調波のレーザー光場の近距離区域内に配置されている場合、光は、非線形結晶内に進入し、そこで第２高調波の光に変換することができる。レーザー１３３０の上部ＭＩＲ３０８は、第２高調波の光が、当該ＭＩＲを通って伝搬せずに、反射されて共振器に送り返されるように選択される。後部ミラー１３１１は、第２高調波の光に対して非透過的であることが好ましく、前部ミラーは、第２高調波の光に対して半透過的であることが好ましい。生成された第２高調波の光１３２０は、半透過的な前部ミラー１３１２を通って出射１３１５する。

図１４は、本発明の第６実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置１４００を示す図である。この装置は、発光デバイス１４３０と、第２共振器１４１０とを含み、前記発光デバイス１４３０および第２共振器１４１０は、近距離場区域１３８０によって結合される。発光デバイス１４３０は、好ましくは、ｎ型ドープ基板１０１と、ｎ型ドープ底部多層干渉反射器（ＭＩＲ）、すなわち第１のＭＩＲ３０２と、共振器３０３と、ｐ型ドープ上部ＭＩＲ、すなわち第２のＭＩＲ１４０８とを含む。図３に示した従来の傾斜共振器とは対照的に、本デバイス１４３０は、波長安定化されていない光を生成する。上部ＭＩＲ１４０８は、とりわけ薄いものではなく、共振器３０３のフィネスは中程度であるため、生成されたレーザー光は、近距離場区域１３８０において第２のＭＩＲ１４０８の外部に存在する。フィネスＱ_１を評価するため、傾斜した入射角θにおけるレーザー１４３０の反射スペクトルを考慮すると、フィネスＱ_１は次のように定義することができる。

上式において、λは反射率落ち込みの波長で、Δλは当該落ち込みの幅である。好ましい実施形態において、フィネスは、１０と１０００の間の範囲内であることが適している。

第２共振器１４１０は、第３の多層干渉反射器１４５２と、中央部１４５３と、第４のＭＩＲ１４５８とを好ましく含む外部共振器である。第１共振器３０３の傾斜光モード３２０で生成された光は、第２のＭＩＲ１４０８から出口面１４９０を通って発光デバイス１４３０から漏れ出し、近距離場区域１３８０を介して、第２共振器１４１０の光モード１４２０の１つに結合される。第２共振器のフィネスＱ_２は、第１共振器のフィネスＱ_１よりも高いことが好ましく、次式の関係を満たす。

近距離場区域１３８０、第３のＭＩＲ１４５２、および第２共振器の中央部１４５３は、発光デバイス１４３０に対する外部共振器を効果的に形成する。第４のＭＩＲ１４５８は、外部ミラーとして機能する。

ここで、発光デバイス１４３０の発光スペクトル内の１つまたはいくつかの波長についてのみ、装置１４００全体の光の位相整合条件が満たされて、正帰還が発生する。第２共振器は、任意構成として、高反射被膜１４１１および反射防止被膜１４１２によって被覆されてもよい。これにより、本装置は、反射防止被膜１４１２を通って出射１４１５する波長安定化レーザー放射を生成することになる。

次の点について留意されたい。図１４の実施形態では、第２のＭＩＲ１４０８からの光の漏出による光学的損失が大きく、レイジング閾値に到達することができないため、発光デバイス１４３０単独では、発光ダイオードとして動作できるだけである。発光デバイス１４３０が、単独で、波長安定化されないレーザーとして動作することができる、他の実施形態も利用可能である。

図１５に、波長の選択原理を示す。第１共振器に閉じ込められた光モードの波長は、図１５の実線の曲線によって、モード角θの関数として図示されている。第２共振器に閉じ込められた光モードの波長は、点線の曲線によって、モード角θの関数として示されている。装置１４００の位相整合条件は、２つの曲線の交点において満たされる。図１４に示した好ましい実施形態において、第２共振器１４５３の厚さは、第１共振器３０３の厚さよりも大きい。したがって、図１５の第２共振器の光モード間の間隔は、第１共振器のモード間の間隔よりも狭い。装置１４００は、位相整合条件が満たされて、建設的干渉、ひいては正帰還が発生する、１つまたはいくつかの選択波長のレーザー光を生成する。すなわち、図１５における波長λ_１，λ_２、およびλ_３が存在する。１つのみの選択波長が、発光デバイス１４３０の発光スペクトルと重畳する場合、装置１４００は、波長安定化レーザー光を生成することになる。

図１６に、本発明の第７実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置１６００を示す。この装置は、基板１０１上にエピタキシャル成長されて、発光デバイス１６３０と、外部共振器１６５３と、外部ミラー１６５８とを含む。発光デバイス１６３０は、外部キャビティ１６５３とエピタキシャルに結合される。発光デバイス１６３０は、複数の傾斜光モード３２０で光を生成する。これらの光モードは、第２の多層干渉反射器（ＭＩＲ）１６５０を介して外部キャビティ１６５３と結合される。第２のＭＩＲ１６５０と外部共振器１６５３の間の界面は、発光デバイス１６３０の出口面１６９０の役目を果たす。外部共振器１６５３は、第２のＭＩＲ１６５０および第３のＭＩＲ１６５８によって境界が画定されている。発光デバイス１６３０によって複数の傾斜光モード３２０で生成された光は、第２のＭＩＲ１６５０を通って外部共振器１６５３の中に漏出する。図１５によれば、１つまたはいくつかの選択波長において、光の位相整合条件が満たされて正帰還が発生するが、この選択波長は、第１共振器３０３の傾斜光モードの分散法則が、装置１６００の第２共振器であると見なすこともできる外部共振器１６５３の傾斜光モード１４２０の一部の分散法則と交わる波長である。装置１６００の後部ファセットは、高反射被膜１６１１で被覆されることが好ましく、装置１６００の前部ファセットは、反射防止被膜１６１２で被覆されることが好ましい。１つまたはいくつかの選択波長において生成された波長安定化レーザー光は、前部ファセットに設けられた反射防止被膜１６１２を通って出射１６１５する。

なお、本発明のレーザー、たとえば、装置１６００の波長安定化動作の原理は、「Ｔｉｌｔｅｄ ｃａｖｉｔｙ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ （ＴＣＳＬ） ａｎｄ ｍａｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｋｉｎｇ ｓａｍｅ（傾斜共振器半導体レーザー（ＴＣＳＬ）およびその製造方法）」という名称の特許文献４、「Ｔｉｌｔｅｄ ｃａｖｉｔｙ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｋｉｎｇ ｓａｍｅ（傾斜共振器半導体光電子デバイスおよびその製造方法）」という名称の特許文献５、および「Ｔｉｌｔｅｄ ｃａｖｉｔｙ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｋｉｎｇ ｓａｍｅ（傾斜共振器半導体デバイスおよびその製造方法）」という名称の特許文献６に既に開示されている傾斜共振器レーザーの動作原理とは完全に異なるものである。これらの特許および特許出願は、すべて、本発明の発明者によってなされたものである。傾斜共振器レーザーは、高フィネス共振器と、多層干渉反射器（ＭＩＲ）とを含み、これらは、傾斜共振器モードの分散法則と、ＭＩＲの最大ストップバンド反射率の分散法則とが、ただ１つのみの選択波長および１つのみの選択角度において交わるように選択される。共振器内に閉じ込められた光モードの漏れ損失は、前述の選択波長において最大になる。

逆に、装置１６００、および下記で考察する本発明の他のすべてのエピタキシャルな実施形態では、いずれの波長選択的漏れ損失も必要としない。本デバイスは、損失がまったく存在しないか、または選択的でない損失を有するものであってよい。多層構造内の建設的かつ相殺的干渉が、波長安定化の一翼を担う。建設的干渉は、レイジングに必要な正帰還を実現する。特に、図１６の実施形態において、建設的干渉の条件は、１つまたはいくつかの選択波長について満たされ、この選択波長において、第１共振器３０３内に閉じ込められた傾斜光モードの分散法則曲線が、図１５に示したように、第２共振器１６５３内に閉じ込められた傾斜光モードのうちの１つの分散法則曲線と交差する。

図１７は、本発明の第８実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置１７００を模式的に示す図である。本装置１７００は、基板１０１上にエピタキシャル成長されて、発光デバイス１７３０と、外部共振器１７０３と、外部ミラー１７０２とを含む。発光デバイス１７３０は、外部共振器１７０３とエピタキシャルに結合される。発光デバイス１７３０は、複数の傾斜光モード１７７０で光を生成する。共振器１７５３は、第１の多層干渉反射器（ＭＩＲ）１７５８および第２のＭＩＲ１７５０の間に挟まれている。光モード１７７０は、第２のＭＩＲ１７５０を介して外部共振器１７０３に結合される。外部共振器１７０３は、第２のＭＩＲ１７５０および第３のＭＩＲ１７０２によって境界が画定される。発光デバイス１７３０によって生成された複数の傾斜光モード１７７０の光は、第２のＭＩＲ１７５０を通って外部共振器１７０３内に漏出する。図１５によれば、第１共振器１７５３の傾斜光モードの分散法則が、外部共振器１７０３の傾斜光モード１７２０の一部の分散法則と交差する１つまたはいくつかの選択波長において、光の位相整合条件が満たされて、正帰還が発生する。この外部共振器１７０３は、装置１７００の第２共振器と見なすこともできる。装置１７００の後部ファセットは、高反射被膜１７１１によって被覆されることが好ましく、装置１７００の前部ファセットは、反射防止被膜１７１２によって被覆されることが好ましい。１つまたはいくつかの選択波長で生成された波長安定化レーザー光は、前部ファセットに配設された反射防止被膜１７１２を通って出射１７１５する。装置１７００と装置１６００の違いは、装置１７００において、外部共振器１７０３は、発光デバイス１７３０の基板側に配置され、外部共振器１７０３と基板１０１の間に外部ミラー１７０２が設けられている点である。

図１７に示した装置１７００は、好ましくは、ｎ型ドープ基板１０１上にエピタキシャル成長される。第３のＭＩＲ１７０２、第２共振器１７０３、および第２のＭＩＲ１７５０は、ｎ型にドープされることが好ましい。第１のＭＩＲ１７５８は、ｐ型にドープされることが好ましい。共振器１７５３は、ｎ型ドープ層１７５４と、閉じ込め層１７５５と、ｐ型ドープ層１７５７とを含む。閉じ込め層１７５５は、活性領域１７５６をさらに含む。

第３の多層干渉反射器１７０２、第２共振器１７０３、および第２の多層干渉反射器１７５０を形成する層は、好ましくは、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、ドナー不純物がドープされ、さらに、高屈折率および低屈折率を交互に有する。ＧａＡｓ基板上に成長させた装置では、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓとから成る交代層、またはアルミニウム含有物を交互に有するＧａＡｌＡｓの層が、第３のＭＩＲ１７０２および第２のＭＩＲ１７５０を形成することが好ましい。

共振器１７５３のｎ型ドープ層１７５４は、好ましくは、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。

共振器１７５３のｐ型ドープ層１７５７は、好ましくは、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。

上部多層干渉反射器（第１のＭＩＲ）１７５８を形成する層は、好ましくは、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、アクセプタ不純物がドープされ、さらに、高屈折率および低屈折率を交互に有する。ＧａＡｓ基板上に成長させた装置では、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓとから成る交代層、またはアルミニウム含有物を交互に有するＧａＡｌＡｓの層が前記ＭＩＲを形成する。

閉じ込め層１７５５は、好ましくは、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつドープされないか、または微弱にドープされる。

閉じ込め層１７５５内に設けられた活性領域１７５６は、挿入によって形成されることが好ましく、活性領域のエネルギバンドギャップは、第１のＭＩＲ１７５８、共振器１７５３のｐ型ドープ層１７５７、共振器１７５３の閉じ込め層１７５５、共振器１７５３のｎ型ドープ層１７５４、第２のＭＩＲ１７５０、第２共振器１７０３、および第３のＭＩＲ１７０２を構成する層のエネルギバンドギャップよりも狭い。利用可能な活性領域１７５６は、特に限定するものではないが、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの任意の組み合わせから成る単層または多層の構造を含む。ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合、活性領域１７５６の例は、特に限定するものではないが、ＩｎＡｓ，Ｉｎ_ｌ−ｘＧａ_ｘＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_{ｌ−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｙＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_ｌ−ｘＡｓ_ｌ−ｙＮ_ｙ、または同様の材料が挿入された構造を含む。

図１８は、本発明の第９実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置１８００を模式的に示す図である。発光デバイス１８３０は、複数の傾斜光モード１７７０の光を生成し、光は、多層干渉反射器ではなく、エバネセント反射器１８５０を通って外部共振器１７１１に漏出する。単一またはいくつかの波長に関して、位相整合条件が満たされて正帰還が生じることで、波長安定化レーザー光の生成が行われる。この波長安定化レーザー光は、反射防止被膜１７１２によって被覆されることが好ましい前部ファセットを通って装置１８１５から出射する。

図１９は、本発明の第１０実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置１９００を模式的に示す図である。この装置１９００は、基板１０１上にエピタキシャル成長されて、発光デバイス１９３０と、外部共振器１７０３と、外部ミラー１９０２とを含む。発光デバイス１９３０は、第１エバネセント反射器１９５８と第２エバネセント反射器１８５０との間に挟まれた共振器１７５３を含む。発光デバイス１９３０内で生成された複数の傾斜光モード１７７０の光は、エバネセント反射器１８５０を通って外部共振器１７０３内に漏出する。この共振器１７０３は、発光デバイス１９３０にとっての外部共振器である。また、共振器１７０３は、装置１９００の第２共振器と見なすこともできる。この第２共振器１７０３は、第２エバネセント反射器１８５０と第３エバネセント反射器１９０２との間に狭持される。したがって、発光デバイス１９３０にとっての外部共振器であるエバネセント反射器１９０２は、装置１９００全体での第３の反射器である。図１５によれば、第１共振器１７５３の傾斜光モードの分散法則が、外部共振器１７０３の傾斜光モード１７２０の一部の分散法則と交わる１つまたはいくつかの選択波長において、光の位相整合条件が満たされて、正帰還が発生する。装置１９００の後部ファセットは、高反射被膜１７１１で被覆されることが好ましく、装置１９００の前部ファセットは、反射防止被膜１７１２で被覆されることが好ましい。１つまたはいくつかの選択波長で生成された波長安定化レーザー光は、前部ファセットに設けられた反射防止被膜１７１２から出射１９１５する。

図２０（ａ）は、本発明の第１１実施形態に係る、波長安定化レーザー放射を生成する装置２０００を模式的に示す図である。この装置２０００は、基板１０１上にエピタキシャル成長されて、発光デバイス２０３０と、外部共振器２００３と、外部ミラー２００２とを含む。発光デバイス２０３０は、第１エバネセント反射器２０５８と第２エバネセント反射器２０５０とに挟まれた共振器２０５３を含む。発光デバイス２０３０内で生成された光は、エバネセント反射器２０５０から外部共振器２００３内に漏出する。この共振器２００３は、発光デバイス２０３０にとっての外部共振器である。また、共振器２００３は、装置２０００の第２共振器と見なすこともできる。この第２共振器２００３は、第２エバネセント反射器２０５０と第３エバネセント反射器２００２との間に狭持される。したがって、発光デバイス２０３０にとっての外部反射器であるエバネセント反射器２００２は、装置２０００全体での第３反射器である。

本装置２０００は、次のように動作する。活性領域１７５６は、順方向バイアス１１３が印加されたときに光学利得を生成する。光は、活性領域１７５６の利得スペクトルによって決定されるスペクトル領域内で生成される。共振器２０５３の材料は、より高次の高調波の光を生成することができる非線形光学材料である。共振器２０５３の材料は、第２高調波の光を生成できることが好ましい。したがって、活性領域１７５６が、波長λ_１において第１高調波の光を生成する場合、この光は、その一部または全体を、波長λ_２＝０．５λ_１の第２高調波の光に変換することができる。非線形の光学特性は、従来の半導体材料のほとんど、特に、限定的なものではないが、ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＧａＳｂ，ＧａＮ，ＡｌＮ、およびこれらの材料の合金を含む、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料や、ＩＩＩ−Ｖ族半導体合金に存在する。ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の容積対称性は、反転中心を含まないため、これらの材料は、光の第２高調波を生成することができる。活性領域１７５６を除く、装置２０００のすべての層は、第１高調波および第２高調波両方の光に対して透過的である材料で形成される。ただし、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの組み合わせによって形成されることが好ましい活性領域１７５６は、波長λ_１の第１高調波を生成する際に、通常、波長λ_２＝０．５λ_１の第２高調波の光を吸収する。このことは、従来の光電子デバイスからの第２高調波の光の抽出の妨げとなる。

本装置２０００は、この問題を解決するものである。共振器２０５３，２００３、および反射器２０５８，２０５０，２００２は次のように選択される。傾斜角θの関数として波長を提示する、第１共振器２０５３内のみに閉じ込められた光モードの分散曲線は、図２０（ｂ）において、点線の曲線２０７１として図示されている。このモードは、エバネセント反射器２０５０が十分に薄いため、第１共振器２０５３および第２共振器２００３の間にいずれの交差も生じないような状況に対応する。第２共振器２００３内にのみ閉じ込められた光モードの分散曲線は、図２０（ｂ）において、点線の曲線２０７２として図示されている。曲線２０７１および２０７２は、ポイント２０７５において交差する。反射器２０５０が、中程度または小さめの厚さを持つ場合、２つの共振器に閉じ込められた光モードの間に交差が生じて、分散曲線の反交差が発生する。実線２０７６および２０７７によって示される分散曲線は、共振器２０５３および２００３内の合成された光モードを表している。活性領域１７５６によって生成された光の第１高調波の波長には、λ_１の符号が付けられている。装置２０００は、第１高調波の波長λ_１における合成された光モードの分散曲線２０７７が、単独の第１共振器２０５３を表す光モードの分散曲線２０７１の近くに位置するように選択されることが好ましい。すなわち、この光モードは、主に、第１共振器２０５３内に存在する。第２高調波の波長λ_２＝０．５λ_１において、装置２０００には２つの光モードが存在し、第１のモードは有効角度θ_１を有し、第２モードは有効角度θ_２を有する。第２高調波の波長λ_２＝０．５λ_１における合成された光モードの分散曲線２０７６は、単独の第２共振器２００３を表す光モードの分散曲線２０７２に近接する。すなわち、第２高調波の波長における第２の合成された光モードは、主に第２共振器２００３内に存在する。このモードは、このとき、微弱にではあるが活性領域１７５６によって吸収される。光の第２高調波の波長における２つの合成された光モードの間の効果的な選択は、下記の方法のうちのいずれかによって実現することができる。

選択の第１方法は次のとおりである。より大きな有効角度における合成された光モードの空間分布、すなわち、分散曲線２０７６に対応する第２の合成された光モードの分布において、光場のノードの数、すなわち、（ＴＥモードの）電場または（ＴＭモードの）磁場のノード数は、分散曲線２０７７に対応するモードの分布の場合よりも少ない。光の第２高調波では、２つの合成されたモードのノードの位置が異なるため、光の第２高調波光の波長における第２のモードは、主に第２共振器内に存在するという事実にも関わらず、第２高調波における第１の光モードへの、第１高調波の光の非線形変換係数は、第２高調波における第２の光モードへの、第１高調波の光の非線形変換係数よりもかなり小さくなることが好ましい。選択の第２方法は、第２高調波の波長におけるモードのうちの１つの光場のノード内に、活性領域１７５６を配置することに基づいたものである。この場合、このモードは、活性領域１７５６によって吸収されないか、または僅に吸収されるだけである。第２高調波において、第１のモードは第２のモードよりもノードの数が多いため、第１モードを選択することが好ましい。選択の第３方法は、第２高調波の波長における２つの光モードの建設的干渉と相殺的干渉の条件が異なることに基づいている。装置２０００は、レイジングに必要な正帰還を実現する建設的干渉が、光の第２高調波において、第２のモードに対応して発生し、光の第２高調波において、第１のモードについては生じないように選択されることが好ましい。これらの方法を組み合わせて利用して、活性領域１７５６によって吸収されない、第２高調波の光モードを選択することができる。結合された３つ以上の共振器を導入することができる。１つ以上、またはすべての反射器は、多層干渉反射器（ＭＩＲ）として実施することができる。

装置２０００は、前部ファセットに塗布された反射防止被膜２０１２と、後部ファセットに塗布された反射防止被膜２０１１とを有する。これらの被膜は、いずれも第１高調波での光の放射を抑制または防止する。さらに、第２高調波での光の放射２０５５が確実に前部ファセットのみから生じるようにするため、後部ファセットに、第２高調波の光に対する反射防止被膜２０６１を塗布すると好ましい。

装置２０００は、第２高調波の波長安定化レーザー光を生成することが好ましい。装置は、第２高調波のレーザー光を生成するが、当該レーザー光の波長は安定化されない他の実施形態も実現可能である。また、他の実施形態において、第３高調波への光の変換を行うこともできる。

ＩＩＩ−Ｖ族半導体における非線形の光学的効果は、微斜面または高指数の基板上に構造をエピタキシャル成長させて、改善することができる。このとき、活性領域内への量子挿入によって、量子井戸のみならず、量子細線または量子ドットの配列を形成できる。

図２１は、本発明の第１２実施形態に係る、波長安定化レーザー放射を生成する装置２１００を模式的に示す図である。この装置２１００は、基板１０１上にエピタキシャル成長されて、外部共振器２１８０内に挿入された発光デバイス２１３０を含む。発光デバイス２１３０は、第１エバネセント反射器２１６０と第２エバネセント反射器２１５０との間に挟まれた第１共振器１７５３を含む。外部共振器２１８０は、基板側から発光デバイス２１３０に接する外部共振器の第１部位２１０３と、発光デバイス２１３０と、基板側と反対の側から発光デバイス２１３０に接する第２部位２１５３とを含む。外部共振器２１８０の第１部位２１０３は、第２エバネセント反射器２１５０と、発光デバイス２１３０にとっての第１の外部ミラーと見なすことができるエバネセント反射器２１０２とによって境界が画定される。この同じエバネセント反射器２１０２が、装置２１００の第３エバネセント反射器と見なされてもよい。外部共振器２１８０の第２部位２１５３は、第１エバネセント反射器２１６０と、発光デバイス２１３０にとっての第２の外部ミラーと見なすことができるエバネセント反射器２１６２とによって境界が画定される。この同じエバネセント反射器２１６２が、装置２１００の第４エバネセント反射器と見なされてもよい。装置２１００は次のように動作する。発光デバイス２１３０は、複数の傾斜光モード１７７０で光を生成する。これらの光モードの光は、第１エバネセント反射器２１６０から外部共振器２１８０の第２部位２１５３内に漏出すると共に、第２エバネセント反射器２１５０から外部共振器２１８０の第１部位２１０３内に漏出する。図１５に示したように、第１共振器１７５３の光モード１７７０の分散曲線が、外部共振器２１８０の光モード２１７０の分散曲線と交差する１つまたはいくつかの選択波長において、位相整合条件が満たされて正帰還が生じる。したがって、装置２１００は、波長安定化レーザー光を生成し、この波長安定化レーザー光は、前部ファセットに設けられた反射防止被膜から出射２１１５する。

図２１に示した装置の４つの反射器のうちのいずれか１つ、いずれか２つ、いずれか３つ、または４つすべてが、エバネセント反射器ではなく、多層干渉反射器である、本発明の複数の実施形態を実現できる。

図２２は、本発明の第１３実施形態に係る、波長安定化レーザー光の生成装置２２００を示す図である。この装置は、基板１０１上にエピタキシャル成長されて、発光デバイス２２３０と、外部共振器１７０３と、外部ミラー１７０２とを含む。発光デバイス２２３０は、さらに、第１の多層干渉反射器（ＭＩＲ）１７５８と第２の多層干渉反射器（ＭＩＲ）１７５０との間に挟まれた第１共振器１７５３を含む。本装置２２００は次のように動作する。発光デバイス２２３０は、複数の傾斜光モード１７７０で光を生成する。これらのモードの光は、第２のＭＩＲ１７５０から外部共振器１７０３に漏出する。多層干渉反射器１７０２は、発光デバイス２２３０にとっての外部ミラーであるが、装置２２００全体での第３のＭＩＲと見なされてもよく、外部共振器１７０３は、装置２２００全体での第２共振器と見なされてもよい。したがって、第２共振器１７０３は、第２のＭＩＲ１７５０と、第３のＭＩＲ１７０２とによって境界が画定される。図１５によれば、第１共振器１７５３の傾斜光モードの分散法則が、外部共振器１７０３の傾斜光モード１７２０の一部の分散法則と交差する１つまたはいくつかの選択波長において、光の位相整合条件が満たされて、正帰還が生じる。前述の外部共振器１７０３は、装置２２００の第２共振器と見なされてもよい。

生成された波長安定化レーザー光は、装置２２００の上面から出射２２３５する。上面の光学開口部２２３２は、放射光の波長よりもかなり大きく、当該波長の５倍以上であることが好ましい。ここで、開口部における光の回折はそれほど強いものではなく、光の放射の遠距離場ダイアグラムは、主に、位相整合条件が満たされる傾斜光モードの傾斜角によって決定される。横方向平面において、開口部２２３２が円形の形状を有する場合、光の放射の遠距離場ダイアグラムは軸対称になる。発光スペクトル内の各波長において、最大強度は、特定の極角度θにおいて到達され、方位φには依存しないため、遠距離場ダイアグラムは円錐の形状を持つことになる。開口部２２３２が、対称性の低い形状を有する場合、遠距離場も同様に対称性が低くなり、典型的な実施形態では、２つまたは４つのローブを含むものになる。

図２２の実施形態において、底部接点（ｎ接点）１１１は、第３のＭＩＲ１７０２の反対側において、基板１０１上に配設される。上部接点（ｐ接点）１１２は、第１共振器１７５３の反対側において、第１のＭＩＲ１７５８の上面に設けられたｐ型コンタクト層１２９の上面に配設される。本実施形態において、基板１０１、第３のＭＩＲ１７０２、第２共振器１７０３、第２のＭＩＲ１７５０、および第１共振器１７５３の層１７５４は、ｎ型にドープされる。第１共振器１７５３の層１７５７、第１のＭＩＲ１７５８、およびｐ型コンタクト層１２９は、ｐ型にドープされる。順方向バイアス１１３は、底部接点１１１および上部接点１１２を介して活性領域１７５６に印加される。

一方または両方の接点が共振器内接点であり、構造の対応する部分を、ドープしないでおくか、または軽くドープすることができる、異なる実施形態も実現可能である。

また、本発明のさらに他の実施形態では、生成された波長安定化レーザー光が、基板を通って装置から出射する態様も実現可能である。

図２３は、本発明の第１４実施形態に係る、波長安定化レーザー光の生成装置２３００を示す図である。この装置２３００は、基板１０１上にエピタキシャル成長されると共に、外部共振器２３８０内に挿入された発光デバイス２３３０を含む。発光デバイス２３３０は、第１の多層干渉反射器（ＭＩＲ）２３６０と第２の多層干渉反射器（ＭＩＲ）２３５０との間に挟まれた第１共振器１７５３を含む。外部共振器２３８０は、基板側から発光デバイス２３３０に接する、外部共振器の第１部位２３０３と、発光デバイス２３３０と、基板側と反対の側から発光デバイス２３３０に接する第２部位２３５３とを含む。外部共振器２３８０の第１部位２３０３は、第２のＭＩＲ２３５０と、発光デバイス２３３０にとっての第１の外部ミラーと見なすことができる多層干渉反射器（ＭＩＲ）２３０２とによって境界が画定される。この同じＭＩＲ２３０２が、装置２３００の第３の多層干渉反射器と見なされてもよい。外部共振器２３８０の第２部位２３５３は、第１のＭＩＲ２３６０と、発光デバイス２３３０にとっての第２の外部ミラーと見なすことができる多層干渉反射器（ＭＩＲ）２３６２とによって境界が区切られている。この同じＭＩＲ２３６２が、装置２３００の第４の多層干渉反射器と見なされてもよい。装置２３００は次のように動作する。発光デバイス２３３０は、複数の傾斜光モード１７７０で光を生成する。これらの光モードの光は、第１のＭＩＲ２３６０から外部共振器２３８０の第２部位２３５３内に漏出し、かつ、第２のＭＩＲ２３５０から外部共振器２３８０の第１部位２３０３内に漏出する。図１５に示したように、第１共振器１７５３の光モード１７７０の分散曲線が、外部共振器２３８０の光モード２３７０の分散曲線と交差する１つまたはいくつかの選択波長において、位相整合条件が満たされて、正帰還が生じる。

生成された波長安定化レーザー光は、装置２３００の上面から出射２３３５する。この上面の光学開口部２３３２は、放射光の波長よりもかなり大きく、当該波長の５倍以上であることが好ましい。ここで、開口部における光の回折は、それほど強いものではなく、光の放射の遠距離場ダイアグラムは、主に、位相整合条件が満たされる傾斜光モードの傾斜角によって決定される。横方向平面において、開口部２３３２が円形の形状を有する場合、光の放射の遠距離場ダイアグラムは軸対称になる。発光スペクトル内の各波長において、最大強度は、特定の極角度θにおいて到達され、方位φには依存しないため、遠距離場ダイアグラムは円錐の形状を有することになる。開口部２３３２が、対称性の低い形状を有する場合、遠距離場も同様に対称性が低くなり、典型的な実施形態では、２つまたは４つのローブを含むものになる。

一方または両方の接点が共振器内接点である、本発明の他の実施形態も実現可能である。また、波長安定化レーザー光が基板を通って装置から出射する、本発明のさらに他の実施形態も実施できる。

図２４は、本発明の第１５実施形態に係る、波長安定化レーザー光の生成装置２４００を示す図である。この装置２４００は、基板１０１上にエピタキシャル成長されると共に、発光デバイス２４３０と、基板１０１とを含む。発光デバイス２４３０は、さらに、第１の多層干渉反射器（ＭＩＲ）２４５８と第２の多層干渉反射器（ＭＩＲ）２４５０との間に挟まれた第１共振器１７５３を含む。活性領域１７５６は、第１共振器１７５３の内部に配置される。基板１０１は、外部共振器の役割を担い、基板の背面２４８１は、外部ミラーの機能を果たす。装置２４００は次のように動作する。発光デバイス２４３０は、複数の傾斜光モード１７７０で光を生成する。これらのモードの光は、第２のＭＩＲ２４５０から基板１０１に漏出する。基板１０１は、基板１０１に漏出し、当該基板１０１の背面２４８１から反射されて、活性領域１７５６に送り返される光波の位相の振動を、波長の関数として提供する。光の放射は、基板１０１を通って伝搬し、当該基板の背面２４８１から反射されて、活性領域に送り返される光波の建設的干渉に対応する波長において、有利に働く。共振器１７５３および基板１０１という２つの要素の２つの複合的角度依存特性の相互作用によって、基板１０１の背面２４８１を通って装置２４００から出射２４８５する波長安定化レーザー光の生成が行われる。図１５に示したように、建設的干渉の条件、すなわち、１つにおいて、光の位相整合が満たされて、正帰還が生じ、または、いくつかの選択波長において、第１共振器１７５３の傾斜光モードの分散法則が、基板１０１の傾斜光モード２４２０の一部の分散法則と交差する。

図２５は、本発明の第１６実施形態に係る、波長安定化レーザー光の生成装置２５００を示す図である。基板１０１の背面２４８１には、レイジングの波長を調整するために、誘電体層２５５１が蒸着される。波長安定化レーザー光２５８５は、基板１０１の背面２４８１および誘電体層２５５１を通って出射する。

基板を背面からエッチングしてレイジングの波長を調整する、本発明の他の一実施形態も実現可能である。

本発明のさらなる実施形態は、波長安定化レーザー光を生成する装置において、基板が第２共振器の役割を担い、当該装置の側面ファセットから光が出射する装置に焦点を合わせたものである。従来の漏れレーザーとは対照的に、本発明の装置は、波長が安定したレーザー光を提供する。

図２６（ａ）は、従来の端面発光デバイス２６１０を示す模式図である。活性領域は、底部クラッド層２６０２および上部クラッド層２６０６に覆われた導波路領域２６０３に配置され、これらの各クラッド層は、導波路２６０３よりも屈折率が低く、導波路光モード２６０４に対する全内部反射を提供する。このデバイスは、基板１０１と、底部クラッド層２６０２と、活性媒体が挿入された導波路層２６０３と、上部クラッド層２６０６と、コンタクト層と、構造の上部および底部の金属接点とを含む。上部コンタクト層および上部接点は、図２６（ａ）には示されていない。底部接点２６１１は図示されており、金属合金から成る当該接点は、基板から接点に衝突する光の部分的な散乱および吸収を引き起こす、起伏のある構造を有することが強調されている。光は、導波路光モードで生成されて、前部ファセットと後部ファセットの間で跳ね返される。通常、後部ファセットには高反射被膜２６０８が塗布され、前部ファセットには反射防止被膜２６０７が塗布される。光は、前部ファセットのみから出射２６０５する。

図２６（ｂ）は、従来の端面発光レーザー２６２０を示す模式図で、この端面発光レーザーにおいて、基板側からのクラッド層は、薄いか、または欠落しているかのいずれかであり、導波路内で生成された光２６１４は、基板内に通り抜けることができる。基板がより高い屈折率を持つ場合、光は、基板の屈折率と漏れ導波路層の屈折率の比によって規定される角度で屈折し、特定の角度２６２４に配向された光として基板内に伝搬する。放射光は液晶から出射する。導波路２６１４から液晶を抜け出す光は、主放射のビーム２６１５を形成する。基板内に漏出した光は、液晶を抜け出して、漏れ放射のビーム２６２５を形成する。漏れ損失が少ない場合、漏れ放射の相対強度は、主放射と比べて低くなる。漏れ損失が大きい場合は、全光学的損失が大きくなると共に、デバイスの閾値電流密度が高くなる。

図２６（ｃ）は、漏れ成分を有する従来の端面発光デバイスを模式的に示す図で、この漏れ成分は、共振器の長さが長い、または漏れ角度が大きいために、底部合金の金属接点２６１１によって部分的に反射されたものである。この場合、光の一部２６３４は、散乱および部分反射されて導波路に戻されるが、接触領域における吸収損失が大きいことに加え、接触領域内の散乱損失も大きい。底部接点２６１１によって反射および散乱された光は、通常、むしろ幅広の角度スペクトルで出射２６３５される。

図２７（ａ）は、図２６（ａ）のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。レーザー光は、出力開口部から出てくるため、光が回折して、幅広（通常、半値全幅２０〜６０度）のビームになる。このビームは、有効焦点距離が短いため、一点に集束させることが難しい。また、この発散ビームをレンズによって平行ビームに変換すると、出力密度が大幅に減少する。最後に、デバイス２６００についての外部共振器を含むことになる外部共振器の用途では、外部共振器の高い品質係数が必要になる。導波路に戻る反射光を効果的に集束させるには導波路の厚みが少なすぎるため、前述の高い品質係数を実現することは困難である。

図２７（ｂ）は、図２６（ｂ）のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。この場合、面内導波路放射の幅広の遠距離場パターンの上部に、漏れ放射に起因する幅の狭いローブが顕現することが見て取れる。この放射がデバイスの出力内で支配的になる場合は、非常に損失が大きいため、閾値電流密度が劇的に増加する。

図２７（ｃ）は、図２６（ｃ）のデバイスの遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。漏れ放射２６３５の反射および散乱によって、遠距離場スペクトル内に幅の広い反射ピークが現れている。

図２８（ａ）および図２８（ｂ）に、従来の漏れ型端面発光デバイスのサンプル内で漏れ角度および漏れ損失を制御する手段を示す。図２８（ａ）は、デバイス２６２０の構造をより詳細に示す図である。このデバイスは、基板１０１と、導波路２６０３と、上部クラッド層２６０６と、上部コンタクト層２８０９とを含み、前記導波路２６０３は、好ましくは、幅狭の底部クラッド層２８２２を更に含み、導波路２８２０の中央部分は、層２８２４と、活性領域２８２５と、層２８２６とを含む。図２８（ｂ）は、図２８（ａ）の構造の屈折率分布を模式的に示す図である。

層２８２２の厚さが減少すると、光モードのトンネル動作がより強化されるため、漏れ損失が増加することになる。導波路２８２０の厚さが減少しても、光モードが導波路から狭窄されるため、漏れ損失が増加する。層２８２４および２８２６の屈折率ｎ_２の低下も、漏れ損失の増加および漏れ角度θ_{ｌｅａｋｙ}の増加をもたらす。より複雑な導波路構造において、漏れ角度は、基板１０１の屈折率と光モードの有効屈折率との関係によって決定される。

本発明は、開示された装置の低閾値波長選択動作を実現できる外部共振器の形状を提案するものである。図２９（ａ）は、本発明の第１７実施形態に係る波長安定化レーザー光を生成する装置２９００を示す模式図である。

図２９（ｂ）は、装置２９００をより詳細に示す模式図である。基板１０１は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、またはＩＩＩ−Ｖ族半導体合金から形成される。たとえば、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＳｂである。ＧａＡｓまたはＩｎＰは、一般に、レーザー放射の所望の放射波長に応じて利用される。これに代わる構成としては、ＧａＮベースのレーザー用の基板、すなわちレーザー構造として、サファイアや、ＳｉＣや、［１１１］−Ｓｉが利用され、この構造の層は、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ、またはこれらの材料の合金で形成される。基板１０１は、ｎ型、すなわちドナー不純物によってドープされる。利用可能なドナー不純物は、特に限定するものではないが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ、およびＳｉ，Ｇｅ，Ｓｎなどの両性不純物を含み、後者の両性不純物は、カチオン副格子内の大部分を占めるように組み込まれて、ドナー不純物として機能するという技術的条件において導入される。

ｎ型ドープ底部クラッド層２８２２は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ光子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。ＧａＡｓ基板１０１の場合、ｎ型ドープクラッド層は、ＧａＡｌＡｓ合金で形成されることが好ましい。導波路２８２０のｎ型ドープ層２８２４は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドナー不純物がドープされる。ＧａＡｓ基板の場合、導波路のｎ型ドープ層２８２４は、ｎ型ドープクラッド層２８２２よりもＡｌの含有量が少ないＧａＡｌＡｓ合金で形成されることが好ましい。

導波路２８２０のｐ型ドープ層２８２６は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。導波路のｐ型ドープ層２８２６は、ｎ型ドープ層２８２４と同じ材料から形成される一方で、アクセプタ不純物がドープされることが好ましい。利用可能なアクセプタ不純物は、特に限定するものではないが、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｐｂ，Ｍｎ、およびＳｉ，Ｇｅ，Ｓｎのような両性不純物を含み、後者の両性不純物は、アニオン副格子内の大部分を占めるように組み込まれて、アクセプタ不純物として機能するという技術的条件において導入される。

ｐ型ドープクラッド層２６０６は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。ｐ型コンタクト層２８０９は、好ましくは、基板に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、アクセプタ不純物がドープされる。ドーピングレベルは、ｐ型クラッド層２６０６よりも高いことが好ましい。

金属接点２９１１および２９１２は、好ましくは、多層金属構造から成る。金属製のｎ接点２９１１は、特に限定するものではないが、Ｎｉ−Ａｕ−Ｇｅ構造を含む構造で構成されることが好ましい。金属製のｐ接点２９１２は、特に限定するものではないが、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ構造を含む構造で構成されることが好ましい。

基板の背面には窓が形成されており、底部、すなわちｎ接点２９１１は蒸着されない。また、背面の基板面は鏡状である。

閉じ込め層２８２５は、基板１０１に対して格子整合、またはほぼ格子整合した材料から形成されると共に、生成された光に対して透過的であり、かつ、ドープされないか、または微弱にドープされる。活性領域は、好ましくは、閉じ込め層２８２５内に配置され、また、挿入によって形成されると好ましいが、活性領域のエネルギバンドギャップは、基板１０１のエネルギバンドギャップよりも狭い。実現可能な活性領域は、特に限定するものではないが、量子井戸、量子細線、量子ドット、またはこれらの任意の組み合わせの単層または多層の構造を含む。ＧａＡｓ基板上のデバイスの場合、活性領域の例は、特に限定するものではないが、ＩｎＡｓ，Ｉｎ_ｌ−ｘＧａ_ｘＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_{ｌ−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｙＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_ｌ−ｘＡｓ_ｌ−ｙＮ_ｙ、または同様の材料が挿入された構造を含む。

デバイスの後部ファセットには高反射被膜２６０８を設けることが好ましく、デバイスの前部ファセットには反射防止被膜２６０７を設けることが好ましい。

装置２９００は次のように動作する。活性領域は、順方向バイアスが印加されたときに利得を生成する。漏れ導波路２８２０内で生成された光２９０４は、基板１０１に漏出する。基板内の光は、特定の漏れ角度θ_{ｌｅａｋｙ}で、基板表面の平面まで伝搬２９３４する。光は、基板の背面２９３１で反射して送り返される。このため、漏れ導波路２８２０と基板の背面２９３１の間に、外部共鳴器が形成される。基板の厚さは、真空内の光の波長（３００ｎｍと３０μｍの間の好ましい光の波長）を大幅に超過しているため、基板内の光の伝搬は、幾何光学の法則に従う。したがって、ファセットを通って光が基板から出射できるようにするため、漏れ角度θ_{ｌｅａｋｙ}は、半導体−空気界面の全内部反射角度よりも小さくなければならない。次に、光は、前部ファセットから出射２９３５して、幅狭のローブを有する２ローブ遠距離場パターンを好ましく形成する。

基板の背面を研磨して、鏡状の基板背面を形成する場合、光は反射して活性領域層に戻されるため、目立つほどの部分が光から失われることはない。公称漏れ損失が大きい場合であっても、閾値電流密度は低い。また、光が干渉して、特定の波長のみが建設的干渉を生じるため、波長の選択が行われる。異なる手法において、基板の背面を被覆し、エッチングを行って、波長の調整を実現してもよく、また、回折格子を蒸着することで、波長の安定化のさらなる改善や、基板を通る光の回折格子外結合（outcoupling）の実現などを実行できる。表面の鏡状の品質を保護するために、基板の背面に１つまたはいくつかの被膜を塗布することができる。

図２９（ｃ）は、基板背面からの反射部を有する本発明の装置を、実現可能な処理配線の一例と共に示す模式図である。

図３０（ａ）は、本発明の装置の遠距離場パターンを模式的に示すグラフである。光の強度の大部分は、漏れ放射内に集中しているため、この放射は、出力信号も支配する。

図３０（ｂ）は、本発明の装置の放射スペクトルを模式的に示すグラフである。放射スペクトルは、ほぼ等距離のピークの組み合わせであり、このピークは、漏れ導波路から基板に漏洩し、基板の鏡状の背面から反射されて、活性領域に送り返される光の建設的干渉を表している。これにより、このデバイスの波長安定化動作を達成できる。

図３１（ａ）は、本発明の第１８実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置３１００を示す模式図である。ファセットから放射された光２９３５は、２ローブの遠距離場を好ましく有する。これに応じて、２つの集光ミラー３１４１および３１４２を利用して、光を反射２９３６し、ファセットに送り返す。一方のミラー３１４１は、レーザー光が出射３１４５できるように、半透過型に選択されてよい。装置３１００は、端面発光デバイス２９００と、第１共振器の機能を果たす導波路２６０３と、第２共振器の機能を果たす基板１０１と、ファセット３１０７および第１集光ミラー３１４１の間の第３共振器と、ファセット３１０７および第２集光ミラー３１４２の間の第４共振器と、非透過型集光ミラー３１４２と、半透過型集光ミラー３１４１とを含む。

図３１（ｂ）は、本発明の第１９実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置３１５０を示す模式図である。ファセット３１０７とミラー３１９１によって形成される共振器内に、非線形結晶３１６０が挿入されている。非線形結晶３１６０は、一次光の第２高調波を生成するように設定されることが好ましい。外部ミラー３１９１は、前記一次光に対して非透過的で、かつ、第２高調波の光に対して半透過的であることが好ましく、前記第２高調波の光は、ミラー３１９１を通って出射３１９５する。第２高調波の生成に波長安定化光を使用する利点は、標準的な非線形結晶が動作するスペクトル幅が狭いことに関連する。

図３２（ａ）は、本発明の第２０実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置３２００を示す模式図で、この装置３２００において、放射光の一部は、光ファイバ３２１０に結合される。

図３２（ｂ）は、本発明の第２１実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置３２５０を示す模式図である。放射光の一部は、光ファイバ３２１０に結合され、その他の部分は、波長選択フィルタまたは回折格子３２６０を備えるミラー３１４２から反射される。フィルタ３２６０は、さらなる波長選択性を提供する。

図３３は、本発明の第２２実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置３３００を示す模式図で、この装置３３００において、放射光の出射角度θ_ｏｕｔは、放射波長に応じて変化する。この角度を、ミラーの特定の配置によって調整することによって、図３０（ｂ）のスペクトルからの特定の放射波長の選択を実現できる。特に、図３０（ｂ）の多重ピークスペクトルから１つのピークを選択することができる。

図３４（ａ）は、本発明の第２３実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置３４００を示す模式図で、ここでは、デバイスに、高反射被膜２６０８および特殊な反射防止被膜３４０７が塗布されている。

図３４（ｂ）は、反射防止被膜３４０７の反射率スペクトルを模式的に示すグラフで、この被膜３４０７は、放射の漏れ角度に対応して最適化される一方で、従来の平面導波路放射は、後方反射される。このような被膜は、平面導波路からの後方反射に都合がよく、傾斜した角度でファセットに衝突する放射の漏れ成分の出射を促進する。

図３５は、本発明の第２４実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置３５００を示す模式図である。装置３５００は、微斜面基板上にエピタキシャル成長されたもので、この基板は、低指数の結晶方位を有する従来の表面に対して特定の角度に誤配向（misorient）されている。デバイスのファセットは、一般に、ミラー指数が低い劈開面、たとえば、（１１０）面、または（１，−１，０）面である。したがって、デバイスのファセット３５０７および３５０８は、ｐ−ｎ接合平面に対して垂直ではなく、傾斜している。複雑な傾斜導波路を形成することで、放射光３５３５の複合的光モード３５３４および角度強度分布の設計に自由度が増える。

図３６は、本発明の第２５実施形態に係る、波長安定化レーザー光を生成する装置３６００を示す模式図で、ここでは、レンズ３６３０を使用して、２ローブ放射２９３５を平行ビーム３６３５に変換している。代替の構成として、レンズは、２ローブのビームを任意の発散ビームに変換することもできる。

装置がレーザー光を生成せずに、発光ダイオードとして動作する、本発明のさらなる実施形態も実現可能である。ここで、第２共振器によって提供される建設的干渉の作用は波長選択的なものであるため、この作用により、発光ダイオードの幅狭の放射スペクトルが保証される。また、幅狭の発光スペクトルを有する超光発光デバイスとして装置が動作する、本発明のさらなる実施形態も実現可能である。発光デバイスを光学的に励起することで、活性領域に非平衡キャリアを提供する、他の実施形態も実現できる。また、装置が、スペクトル間隔の狭い光信号を増幅する共振半導体光増幅器として動作する、本発明のさらに他の実施形態も実現可能である。

本発明の特定の特徴については、判りやすくするため、個別の実施形態の文脈において説明したが、単一の実施形態の中に組み合わせて設けられてもよいことは理解されるであろう。逆に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈で説明した本発明の各種の特徴は、それぞれ個別に、または任意の適切な部分的組み合わせにおいて提供されてもよい。

本発明について、その特定の実施形態と組み合わせて説明したが、当業者であれば、多くの代替物、修正、および変形が自明であることは理解されるであろう。したがって、添付の請求項の精神および広い範囲内に入る、このような代替物、修正、および変形のすべてを包含するこが意図されている。本明細書において言及したすべての刊行物、特許、および特許出願は、これら個別の刊行物、特許、または特許出願をそれぞれ具体的かつ個別に本明細書に組み込んだ場合と同程度に、その開示内容全体を本明細書の一部として援用するものである。また、本明細書内の参考文献の引用または特定は、その参考文献を本発明の従来技術として利用できる許可として見なされるものではない。

本発明は、前述した特定の実施形態に限定されるものとして理解されるべきではなく、添付の請求項に規定された特徴に基づいて包含される範囲およびその等価物において実施される、実現可能なすべての実施形態を含むものである。したがって、本明細書において説明した本発明の実施形態は、単に、本発明の原理の用例を説明するためのものであることは理解されるであろう。説明した実施形態の細部についての明細書内での言及は、請求項の範囲を限定するためのものではなく、請求項自体が、本発明の本質的要素と見なされる特徴を規定するものである。

Claims (12)

1. 波長安定化光を生成する装置であって、
   ａ）発光デバイスを含み、
   前記発光デバイスは、さらに、
   ｉ）広い波長範囲および反射器の表面の垂直方向から光が傾斜する際の広範囲の入射角度で反射帯域を提供する、少なくとも１つの第１反射器と、
   ｉｉ）少なくとも１つの第１共振器と、
   ｉｉｉ）ｐ−ｎ接合部を含む能動素子であって、前記ｐ−ｎ接合部は活性領域を含み、前記活性領域は、非平衡キャリアが注入されたときに光を生成することができると共に、広いスペクトルのフォトルミネセンスを有するものである、能動素子と、
   ｉｖ）前記活性領域内への非平衡キャリアの注入を行う注入装置と、
   ｖ）前記ｐ−ｎ接合部の平面と平行に伸長する出口平面とを含み、
   前記発光デバイスは、前記出口平面に垂直な方向に対して傾斜している複数の光モードの中で、及び前記活性領域のフォトルミネセンススペクトルによって規定される波長範囲内で光を生成するように調整され、かつ、前記生成された光は、波長選択的ではなく、さらに、
   ｂ）前記出口平面に隣接して配設される、少なくとも１つの第２共振器と、
   ｃ）前記出口平面の反対側において、前記少なくとも１つの第２共振器に隣接して配設される、少なくとも１つの第２反射器と、を含み、
   前記少なくとも１つの第１反射器は、
   （ｉ）多層干渉反射器と、
   （ｉｉ）全内部反射に基づく反射器とから成る群から選択され、
   前記発光デバイスによって生成されて、前記出口平面から出射する前記光は、前記少なくとも１つの第２共振器を通って伝搬し、前記少なくとも１つの第２反射器によって反射されて、前記少なくとも１つの第２共振器に送り返され、前記活性領域に到達することで、位相整合条件が、１つの選択波長、またはいくつかの選択波長において満たされ、
   横軸をモード角とし縦軸を波長としたときの前記第１共振器の傾斜光モードの分散法則が、横軸をモード角とし縦軸を波長としたときの前記第２共振器のいくつかの傾斜光モードの分散法則と交差し、一つまたはいくつかの選択波長で前記第２共振器から前記第１共振器へ正帰還を提供する手段を生成するよう、前記第１共振器と前記第２共振器が調整され、
   前記１つの選択波長、またはいくつかの選択波長は、前記装置の波長安定化動作を規定するものである、波長安定化光を生成する装置。
2. 前記発光デバイスは、
   ａ）発光ダイオードと、
   ｂ）超光発光ダイオードと、
   ｃ）半導体ダイオードレーザーと、
   ｄ）半導体光増幅器とから成る群から選択される、請求項１に記載の波長安定化光を生成する装置。
3. 前記活性領域への非平衡キャリアの注入を行う前記注入装置は、
   ａ）前記活性領域の光励起を行う光励起装置と、
   ｂ）前記活性領域への電流注入を行う電流注入装置とから成る群から選択される、請求項１に記載の波長安定化光を生成する装置。
4. 基板をさらに含む、請求項１に記載の波長安定化光を生成する装置。
5. 前記波長安定化光を生成する装置は、
   ａ）波長安定化発光ダイオードと、
   ｂ）波長安定化超光発光ダイオードと、
   ｃ）波長安定化半導体ダイオードレーザーと、
   ｄ）半導体光増幅器とから成る群から選択される、請求項１に記載の波長安定化光を生成する装置。
6. 前記発光デバイスは、遠距離場区域によって、前記少なくとも１つの第２共振器と光学的に結合される、請求項５に記載の波長安定化光を生成する装置。
7. 前記発光デバイスは、近距離場区域によって、前記少なくとも１つの第２共振器と光学的に結合される、請求項５に記載の波長安定化光を生成する装置。
8. 前記発光デバイスは、エピタキシャルに、前記少なくとも１つの第２共振器と光学的に結合される、請求項１に記載の波長安定化光を生成する装置。
9. 前記少なくとも１つの第２共振器は基板である、請求項１に記載の波長安定化光を生成する装置。
10. 前記少なくとも１つの第２反射器は、前記基板の背面である、請求項９に記載の波長安定化光を生成する装置。
11. ｄ）前記波長安定化光を生成する装置の外部に配置され、周波数変換を行うことができる非線形要素をさらに含み、
    前記波長安定化光は、波長安定化一次光であり、
    前記周波数変換を行うことができる非線形要素内の前記波長安定化一次光は、より高次の高調波の波長安定化光に変換され、
    前記周波数変換を行うことができる非線形要素は、非線形結晶である、請求項１に記載の波長安定化光を生成する装置。
12. ｄ）周波数変換を行うことができる非線形要素をさらに含み、
    前記周波数変換を行うことができる非線形要素は、
    ａ）前記発光デバイスを含む、少なくとも１つの層と、
    ｂ）前記少なくとも１つの第２共振器を含む、少なくとも１つの層と、
    ｃ）前記少なくとも１つの第２反射器を含む、少なくとも１つの層と、
    ｄ）ａ）からｃ）の任意の組み合わせとから成る群から選択され、
    前記波長安定化光は、波長安定化一次光であり、
    前記生成された一次光の周波数変換によって取得された波長における少なくとも１つの光モードが、低損失を有することで、前記装置は、より高次の高調波の波長で光を放射することができ、前記光は、周波数変換によって取得されたものであり、
    より高次の高調波で放射された光は、より高次の高調波で放射される波長安定化光である、請求項８に記載の波長安定化光を生成する装置。

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