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JP2003504880A - 垂直空洞表面発光性レーザーの偏光制御 - Google Patents

垂直空洞表面発光性レーザーの偏光制御

Info

Publication number
JP2003504880A
JP2003504880A JP2001509131A JP2001509131A JP2003504880A JP 2003504880 A JP2003504880 A JP 2003504880A JP 2001509131 A JP2001509131 A JP 2001509131A JP 2001509131 A JP2001509131 A JP 2001509131A JP 2003504880 A JP2003504880 A JP 2003504880A
Authority
JP
Japan
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vcsel
light
polarization
dimensional
grating
Prior art date
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Pending
Application number
JP2001509131A
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English (en)
Inventor
リチャード マイケル アモス
メイリオン フランシス ルイス
レベッカ アン ウィルソン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qinetiq Ltd
Original Assignee
Qinetiq Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JP2003504880A publication Critical patent/JP2003504880A/ja
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18355—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a defined polarisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface

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Abstract

(57)【要約】 第1の偏光を第2の直交偏光よりも選択的に反射させてVCSELの空洞内に戻すための、好ましくはVCSELの1末端表面上に位置させた導波管として機能するように形成させた1次元波形金属ミラーまたは第1順位1次元回折格子のような1次元格子構造体を含む垂直空洞表面発光性レーザー(VCSEL)。好ましくは、本発明のVCSELは、上部ブラッグミラー、利得領域および下部ブラッグミラーを含み、上記1次元格子構造体を上部ブラッグミラーの頂部層上に位置させ、上部ブラッグミラーの頂部層は、1つの偏光の反射光が上部ブラッグミラーによって反射させた上記1つの偏光の光を建設的に干渉するような厚さを有する。本発明のVCSELは、上記1次元格子構造体によってより優先的に反射された偏光においてレーザー作動する。また、上部ブラッグミラーは、1つの偏光の反射光が上部ブラッグミラーによって反射された上記１つの偏光の光を破壊的に干渉するような厚さを有する。その後、本発明のVCSELは、上記1次元格子構造体によって優先的には反射されなかった偏光においてレーザー作動する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、垂直空洞表面発光性レーザー(Vertical Cavity Surface Emitting
Laser)類、即ち、VCSEL類によって発出された光の偏光制御に関する。
【０００２】 （背景技術） VCSEL類は、平坦構築、半導体基体表面に垂直な光の発出、およびアレーとし
ての製造可能性のような通常の端部発光性半導体レーザーに勝る幾つかの潜在的
利点を有することから、最近、その興味が増大して来ている。端部発光性レーザ
ーは、偏光を発出する利点を有するが、偏光の楕円形ビームを発出し、この楕円
形ビームを環状光ファイバーに結合させるにはレンズを使用する必要がある。こ
れに対し、最も簡単な形においてその垂直軸の周りで軸的に対称形である半導体
構造を有するVCSEL類は、偏光していない光の環状ビームを発出する。環状ビー
ムは、レンズを使用することなく或いは少なくとも簡素化したレンズ構造体を用
いて、環状光ファイバーに直接結合させることができる。 空間光変調器用の光源のようなVCSEL類の多くの提案された応用においては、
良好に限定された偏光によるVCSEL類の単一モードの操作を有することが望まし
く、ある場合には、そのことを必要とする。即ち、VCSELによって発出された光
の電界ベクトル方向は、良好に限定されていなければならず、また電流または温
度によって変動してはならない。これを達成するためには、個別の利得(differe
ntial gain)を、VCSELの利得領域において発生した光の2つの直交偏光に導入さ
せる必要がある。
【０００３】 この問題は、VCSELの半導体構造を、簡素な軸対称構造から、VCSELが1つの直
交偏光を優先的に支持する導波管を含むより複雑な構造に変えることによって取
り組まれている。この試みは、JP10223973およびEP772269において使用されてお
り、VCSELによって発生した光ビームの環状対称性を低減できるより複雑な半導
体構造を得ている。また、EP772269は、１つの直交偏光を促進するVCSEL上での
非対称形発光端子対(port)の使用も開示しており、この端子対もまた、VCSELに
よって発生した光ビームの環状対称性を低減する。米国特許第5,727,014号も、V
CSEL上での非対称形発光端子対の使用を開示しており、この端子対は、VCSELの
電極によって囲まれている。
【０００４】 米国特許第5,412,680号においては、VCSELの活性層は、VCSELの各ミラーに対
して平行な方向に沿って優先方向の導電率を有してVCSELがこの優先方向に対し
て実質的に平行な偏光を有する光を発出するようにした少なくとも1つの耐張型
半導体層を含む。しかしながら、この半導体材料の耐張化は、VCSELの構造に複
雑性を付加している。さらにまた、その耐張層は比較的薄くなければならず、そ
のような薄層はバルク製造において正確に再現するのが困難であり、その特性と
して極めて再現性のないVCSELを生ずる。また、上記VCSELの活性層は、延長させ
てVCSELにより発出させた放射線の偏光が活性層の縦軸にたいして平行であるよ
うにすることができる。GB2,311,166においては、多層高分子ブラッグ(Bragg)反
射体を伸長させてポリマー分子を配向させ偏光方向を限定させている。 JP09181391においては、VCSEL類を垂直に対して傾斜させた対称軸を有するよ
うに生長させて１つの直交偏光の発生を促進させている。しかしながら、VCSEL
類の傾斜構造は、下部切取りを必要とするので、個々のVCSELを製造するのに用
いる製造工程を複雑にする。 JP09283859およびJP09283860においては、VCSELの1つの末端表面上の環状電極
を使用して2つの直交偏光を切換えている。
【０００５】 （発明の開示） 本発明は、上述の問題の少なくとも幾つかを克服するVCSELを提供することを
目的とする。とりわけ、本発明は、偏光の環状ビームを発出し、なお且つ製造に
容易な単純構造を維持しているVCSELを提供することを目的とする。 本発明の第1の局面によれば、VCSEL内の光の第1偏光の利得をVCSEL内の光の第
2偏光の利得に比較して選択的に促進させるVCSELの1端上に位置させた1次元格子
構造体を含む垂直空洞表面発光性レーザー(VCSEL)が提供される。従って、このV
CSELは、第1の偏光においてレーザー作動する傾向にある。 即ち、末端部の１つに付加した唯一の追加構造体を有する標準VCSEL構造体を
用いた偏光制御型VCSELが提供される。本発明によるVCSELの製造は、当該技術に
おいてすでに公知の偏光制御型VCSEL類に比較して簡素化できる。さらにまた、
本発明による配列は、VCSELによって発出された環状ビームの対称性を低減させ
ない。本発明は、同じ1次元格子構造体を複数のVCSELアレー全体上に単一加工工
程で製造することにより、同じ偏光の複数の偏光制御型VCSELのアレーの製造も
可能にする。
【０００６】 好ましくは、上記1次元格子構造体は、この構造体が簡単で製造するのに比較
的容易な構造体を形成するので、VCSELの1末端部に位置させる。 好ましい実施態様においては、VCSELの頂部末端に位置させる。このことは、
金属層上でVCSELを構成する半導体材料の各層を生長させることが現在のところ
不可能であることから、上記1次元格子構造を金属から製造する場合にとりわけ
好ましい。 本発明による偏光制御型VCSELは、その頂部末端表面から或いは必要に応じて
底部末端表面から光を発出するように配列できる。 1つの実施態様において、上記1次元格子構造体は、第1および第2の直交偏光の
両方を反射させてVCSELの空洞内に戻すことができる。第1偏光の利得は、その後
、上記1次元格子構造体によって反射させた第1偏光をVCSEL空洞内に反射させて
戻した第1偏光の他の光を建設的に干渉する(例えば、ブラッグミラー層の配列に
基づき)ように配列させることにより、および/または上記1次元格子構造体によ
り反射させた第2直交偏光をVCSEL空洞内に反射させて戻した第2偏光の他の光を
破壊的に干渉するように配列させることにより、選択的に促進させることができ
る。
【０００７】 別の実施態様においては、上記1次元格子構造体は、第1の偏光を優先的に反射
させてVCSEL空洞内に戻すように配列させることができる。VCSELは、その後、VC
SEL空洞内に優先的に反射させて戻した第1偏光においてレーザー作動する傾向に
あるが、その第1偏光は、例えばブラッグスタックミラーの各層によってこれも
レーザー空洞内に反射させて戻した第1偏光の光と同位相内にあるような方法で
反射させて戻すことを条件とする。何故ならば、この第1の偏光においては、空
洞内に高電界強度、即ち、高利得が存在するからである。 上記1次元格子構造体は、第2の直交偏光を優先的に吸収してVCSELが上記第1の
優先的に反射させた偏光によってレーザー作動するように配列させることができ
る。 上記1次元格子構造体は、VCSELを第1偏光によりレーザー作動するように配列
させた場合に、光が上記1次元格子構造体を介してVCSELの外側に結合できる利点
をもって第1の直交偏光を優先的に伝導するように配列させることができる。 VCSELがその空洞内に光を反射させて戻す上記1次元格子構造体に隣接したブラ
ッグスタックも含む本発明の各実施態様においては、VCSEL構造体を、上記1次元
格子構造体およびブラッグスタックが第1偏光をVCSEL空洞内に、実質的に第1偏
光の反射光間で建設的干渉を促進させる同位相内で反射させるように配列させる
のが好ましい。また、或いはこれに加えて、VCSEL構造体は、上記1次元格子構造
体およびブラッグスタックが第2偏光をVCSEL空洞内に、実質的に第2偏光の反射
光間で破壊的干渉を促進させる位相外れで反射させるように配列させることがで
きる。
【０００８】 本発明によるVCSELは、好ましくは、上部ブラッグミラー、利得領域、および
下部ブラッグミラーを含み；上記1次元格子構造体は、VCSELの末端層内に位置し
；この末端層および/または任意成分としてのブラッグミラーの隣接層は、上記1
次元格子構造体によって反射させた第1偏光の反射光が上記ブラッグミラーの１
つによって反射させた第1偏光を建設的に干渉するような(即ち、同位相にあるよ
うな)厚さを有する。上述したように、これによって、VCSELが第1偏光、例えば
、上記1次元格子構造体によって優先的に反射させた偏光によってレーザー作動
するのを確実にする。別に或いはさらに、上記末端層または上記ブラッグミラー
の隣接層は、上記1次元格子構造体により反射させた第2偏光の反射光が上記ブラ
ッグミラーの１つによって反射させた第2偏光の光は破壊的に干渉するような(即
ち、位相外れにあるような)厚さを有し得る。これによって、空洞内の電界強度
が第1偏光におけるよりも破壊的干渉に基づき第2偏光において低いのを確実にす
る。このことは、例えば第1偏光は上記1次元格子構造体によって優先的に伝導さ
せて第1偏光をVCSELの外側に結合させるので、第2偏光を優先的に反射させてVCS
EL空洞に戻した場合でさえも当てはまる。
【０００９】 ブラックミラーの各層が平坦であり、上記1次元回折格子構造体をVCSELの1末
端部に位置させない場合、上記格子構造体上に位置させた(VCSELの生長方向に)
ブラッグミラーの各層は、いずれも製造工程の1部として平坦化しなければなら
ない。別法としては、波形層を有するブラッグミラーを使用することであり、各
ブラッグ層内に波形物を配列させることによって、上記格子構造体の寸法に相応
する寸法を持たせる。 第1の好ましい実施態様においては、上記1次元格子構造体は、波形金属ミラー
上に入射した上記格子の溝に垂直な電気ベクトルによる偏光が表面プラズモンポ
ラリトンを発生させるように配列させた波形金属ミラーを含む。この偏光は波形
金属ミラーによって優先的に吸収され、直交偏光は波形金属ミラーによって優先
的に反射されてVCSEL空洞内に戻る。好ましくは、波形金属ミラーの波形のピッ
チλGは、下記の等式によって決定する： 2πm/λG = Kspp （式中、Ksppは、表面プラズモンポラリトンの波ベクトルであり、ｍは整数であ
る）。理想的には、m = 1を選択して、回折位数(diffracted orders)がない(即
ち、上記格子はゼロ位数である)ようにする。波形金属ミラーは、任意の金属、
好ましくは、良好な電気接触体としても機能する金属(例えば、金)から製造でき
る。
【００１０】 この第1の好ましい実施態様によれば、表面プラズモンポラリトンは、波形金
属ミラーとVCSELの上部ブラッグミラーとの界面において発生させ得る。この形
状においては、VCSELは、底部発光性である。しかしながら、頂部発光性VCSELも
、表面プラズモンポラリトンを波形金属ミラーと空気との界面において発生させ
た場合に製造できるが、上記1次元金属格子が光学的に薄い(約1波長の厚さ)場合
に可能である。これもλGを増大させ、波形金属ミラーの製造を容易にする。
【００１１】 第2の好ましい実施態様は、VCSELの1つの層として、好ましくはVCSELの末端層
として形成させた第1順位の1次元回折格子を含む1次元格子構造体を有するVCSEL
を含み；上記層はVCSEL軸に垂直な方向の導波管として機能するように形成され
；上記格子は、格子溝のVCSEL空洞入射法線(VCSEL cavity incident normal to
the grating groove)からの光の1部を直接反射させてVCSEL内に戻し、格子溝に
直角に入射するVCSEL空洞からの光の1部を、第2偏光において間接的に反射させ
た光が上記直接反射させた光を破壊的に干渉するような方法で導波管中に回折さ
せ次いで導波管から逆回折させてVCSEL空洞に戻すことにより、間接的に反射さ
せてVCSEL内に戻すように選択されたピッチを有する。上記第1順位の1次元回折
格子は、誘電性材料または金属のいずれかから製造できる。その格子ピッチは、
格子溝に直角に入射するVCSEL空洞からの光の1部が格子頂部とその上の媒体(例
えば、空気)との界面で回折させて格子層によって形成された導波管中に入り、
格子法線に対しある角度θで移動する回折ビームを生ずるように選択する。この
回折ビームは、格子と隣接のブラッグミラー頂部との界面に入射し次いで格子頂
部界面からもう1度回折するときに、導波管に沿ってさらに反射させ、格子溝に
直角に移動してVCSEL空洞に戻るビームを発生させる。この間接的に反射させた
ビームの位相は、格子溝、格子を形成する層の厚さに依存し、さらに偏光に決定
的に依存する。即ち、格子のピッチおよび層厚は、第2偏光においては、ブラッ
グスタック-格子の組合せの全体の反射率が極めて低いように(直接および間接反
射光間の破壊的干渉に基づき)、一方、第1偏光においては、反射率が極めて高い
ように選択できる。この場合、VCSELは、第1偏光が最高の利得を有するので、第
1偏光によってレーザー作動する。
【００１２】 本発明の第2の局面によれば、好ましくはVCSELの1末端部に位置させた1次元格
子構造体を使用して、VCSEL内の光の第1偏光の利得を、VCSEL内の光の第2偏光の
利得に比較して選択的に促進させる工程を含むことを特徴とする垂直空洞表面発
光性レーザー(VCSEL)により発出された偏光の制御方法が提供される。本発明の
第2の局面に従う方法は、本発明の第1の実施態様に従うVCSELと同じ利点および
好ましい特徴を有する。
【００１３】 （発明を実施するための最良の形態） 以下、本発明を、添付図面に関連して説明する。 図1は、本発明の第1の実施態様に従う偏光性VCSEL(60)の１つの実施態様を示
す。VCSEL(60)は、VCSELの底部電気接触子(5)を含む基体(4)上に成長しており、
下部の多層ブラッグスタック即ちミラー(6)、利得領域(8)および上部多層ブラッ
クスタック即ちミラー(10)を含んでいる。上部ブラッグミラー(10)は、部分反射
性であり、それで、光は、VCSEL(60)によりその上部表面から発出される。上部
表面上には、環状領域(16)によって囲まれた波形金属ミラー(50)の形のVCSELの
頂部電気接触子が形成されている。当該技術において周知であるように、利得領
域(8)は、量子孔からなる。通常、各ブラッグスタック(6、10)内の各層の厚さは
、半導体材料の操作波長の1/4(即ち、ブラッグ層の屈折率の4倍で割った空気中
の波長)である。 基体(4)は、ヒ化ガリウム(GaAs)からなり；下部および上部ブラッグミラー(6
、10)は、ヒ化アルミニウム(AlAs)とヒ化アルミニウムガリウム(AlGaAs)の交互
層から製造されている。VCSEL(60)のレーザー作動領域は、図１に示すようなVCS
EL(60)を構成する小柱状物を形成する材料を物理的に除去することによって形成
する。また、レーザー作動領域は、露光領域を非導電性にするマスクを用いるイ
オン打込みまたは酸化を用いる開口を形成させることによっても形成できた。Ga
As基体(4)は、980 nm辺りの波長以上で透過性である(実際のカットオフ波長は、
基体(4)中のドーピング量および材料による)。この波長以上で、VCSEL(60)は、
頂部発光性(図1に示すように)か底部発光性のいずれかであり得る。980 nmより
も低い場合、VCSELは、頂部発光性であるべきである。
【００１４】 表面プラズモンポラリトン(SPPs)は、金属(この場合は、金属ミラー(50))と誘
電体(この場合は、上部ブラッグミラー(10)の頂部層(20))との界面において伝播
する表面電磁波である。SPP波は、横モード(TM)偏光性である。SPPsの分散関係
は、下記の等式によって与えられる： Kspp = K0[ε1ε2/(ε1 + ε2)]1/2 （式中、Ksppは、表面プラズモン波ベクトルであり；K0は、同じ周波数を有する
自由空間内の光子の波ベクトルであり；ε1およびε2は、金属および誘電体それ
ぞれの相対誘電率の真の実数部である）。 SPP波における周波数ωに対する面内波ベクトルKxの相対分散を、図5に実線で
示している。図5における点線は、光線を称し、誘電体内、即ち、斜入射におけ
る光子最高面内運動量に相当する。光線の左側の各点は、格子の面に対してある
角度で伝播する光に相当する。Kx = 0の線は、格子に対して直角で入射する光に
相当する。
【００１５】 図5のグラフからは、SPP波線が図5の光線の右側にあることから、SPP波は同じ
周波数の光子の波ベクトルよりも大きい波ベクトルを有することが理解できる。
SPPを入射光によって励起させるためには、入射光子の運動量を増強してSPPモー
ドの運動量に合致させる必要がある。これは、格子の使用によって達成できる。
波形ミラーを含む格子のピッチλGを正しく選択した場合、入射光子の電磁界と
表面電荷との結合が直入射の光において生ずる。結合が生ずるときに、格子の正
反射率は低下する。結合効率は格子振幅に依存し、正しく選択された場合、反射
率はゼロに低下させ得る。しかしながら、このことは、金属表面への入射光子の
電界の直角成分が存在する場合に、当てはまるだけであり、さもないと、SPPsは
発生させることができない。即ち、直入射においては、格子溝に対して垂直の電
気ベクトルによって偏光された光のみがSPPsを励起し、直交偏光は、金属表面へ
の電気ベクトルの直角成分を有せず、その結果、必要な表面電荷を発生させるこ
とができない。
【００１６】 図2および3は、図1および4の実施態様における上部ブラッグミラー(10)の頂部
層(20)と界面形成し、さらに図6の実施態様におけるVCSEL上の空気と界面形成す
るミラー(50)の波形表面(62)を示す。格子(50)の反射率は、VCSEL内からの偏光P 1 の入射光の電界ベクトル(E)が、格子の振幅を正しく選択する場合に、格子溝(5
2)に対して垂直である図2に示す場合においては、ゼロに低下する。直交偏光P2
のVCSEL内からの入射光の電界ベクトル(E)が格子溝(52)に平行である場合、図3
に示すように直角成分は存在しない。結果として、図3に示す状況においては、S
PPは励起され得ず、格子(50)の反射率は100％に近い。このように、ミラー(50)
は、入射光の直交偏光の示差吸収体として機能する。 結合を達成するのに必要な波形ミラー(50)を含む格子のピッチλGは、下記の
運動量合致条件によって与えられる： 2πm/λG = Kspp
【００１７】 図4のVCSEL(52)は、底部発光性VCSELである。VCSEL(52)は、矢印(54)で示す光
を、基体(4)を通して発出する。厚い波形金属ミラー(50)は、VCSELの頂部電極も
構成している上部ブラッグミラー(10)の頂部に位置させる。金属ミラー(50)は、
入射光のE電界がミラー(50)内の溝に平行であるとき(即ち、偏光P2において)、
ミラー(50)の反射率が100％に近いような波形状である。しかしながら、入射光
のE電界がミラー(50)内の溝に垂直であるとき(即ち、偏光P1において)は、ミラ
ー(50)の反射率は、実質的に低下し、この第2の偏光の光はミラー(50)内に吸収
され、VCSEL(52)の空洞から喪失する。このように、VCSEL(52)のしきい電流にお
いて、VCSEL(52)は、偏光において、ミラー(50)内の溝に平行なE電界によりレー
ザー作動する。 図1は、頂部発光性であり、図4に示す実施態様の変形を示す。この場合、上部
ブラックミラー(10)の頂部上の金属ミラー(50)は、偏光P1の幾分かの光を伝導さ
せるのに十分な薄い厚さを有する。所望の伝導値を達成するためには、上部ブラ
ッグミラー(10)内の層数を減らす必要もあり得る。
【００１８】 また、頂部ブラッグ層(20)の厚さは、格子溝に平行な電気ベクトルによって偏
光させた光における強い反射がブラッグスタックの他の部分からの反射光を破壊
的に干渉し、それによって全体的反射率を低下させ、従ってこの偏光における利
得を低減させるようにも選択できる。これに直交し、格子溝に垂直な電気ベクト
ルによって偏光された光は、格子構造体によって簡単に吸収される(即ち、SPPs
を励起する)。しかしながら、ミラー全体の反射率は、ブラッグスタックの他の
部分により依然として高く、従って、レーザー作動は、格子溝に垂直な電気ベク
トルによる光において生ずる。 図1および4の実施態様のより実際的な変形を図6に示しており、同じようなパ
ーツは同じ参照数字で示している。図6のVCSEL(80)においては、ミラー(50)の波
形表面は、最上部にあり、VCSEL(80)上の空気と界面形成している。この方法に
おいて、SPPsは、VCSEL(80)内からミラー(50)(光が通過するのに十分に薄くなけ
ればならない)を通る光により、波形ミラー(50)の金属/空気界面で励起される。
この場合、ミラー格子のピッチは、空気中の作動波長よりも僅かに少なく、従っ
て、製造するのがより容易である。
【００１９】 図7および8において示す第2の実施態様は、図1、4および６における同じ参照
数字によって示された同じようなパーツを有するVCSEL(90)を含む。VCSEL(90)に
おいて、図7で示す頂部部分は、その上部表面上または表面内に形成された回折
格子(92)を有する上部ブラッグスタック(10)を含む。格子(92)の反射特性は、図
8に図式的に示している。 ブラッグスタック(10)からの光の入射ビーム(94)(図8において点線で示してい
る)の1部を格子(92)の上部表面によって反射させ、ブラッグスタック(10)に戻る
ビーム(96)を発生させる。しかしながら、格子(92)の上部表面は、入射ビーム(9
4)の1部が格子(92)の上部表面とその上の空気との界面において、光(100、102)
によって示されるような格子層内の導波管モードに回折されるように、適切に波
形状である。導波管モードの光ビーム(100、102)は、格子(92)の上部表面とその
上の空気との界面からも回折して、ブラッグスタック(10)中に戻って光ビーム(9
8)を発生させることもできる。ビーム(96)および(98)(およびすべての連続回折
導波管モードビーム)間の相対位相は、格子(92)の上部表面での入射ビーム(96)
と導波管モードビーム(102)の反射における位相シフトφ1、格子(92)の下部表面
(ブラッグスタック(10)と界面形成している)での導波管モードビーム(100)の反
射における位相シフトφ2、並びに導波管モード内のビーム(100、102)の余分な
通路長(2P)によって決まる。(2φ1 + φ2 + 2P)がπの倍数である場合、ビーム(
96)と(98)は破壊的に干渉し、それによって、VCSEL(90)の頂部ミラーの全体の反
射率を低下させる。通路長2Pは、ビーム(100)の伝播角度により(即ち、格子(92)
の上部表面内の波形のピッチにより)、さらに格子層(92)の厚さにより決まる。
位相シフトφ1およびφ2は、ビーム(100)の伝播角度により、さらにまた入射ビ
ーム(94)の偏光により決まる。即ち、格子ピッチは、E電界が格子(92)内の溝に
垂直である入射光の１つの偏光(例えば、(TM)偏光)においてVCSEL(90)の頂部ミ
ラーの反射率を低下させ、一方、直交偏光(この例においては、(TE)偏光)におい
て高反射率を維持するように選択できる。2つのモードにおける上部ミラーの反
射率の差異が数％よりも高い場合、VCSEL(90)は、最高の反射率を有する方向に
偏光されたモード(この例においては、TE偏光)によってレーザー作動する。
【００２０】 図7で示したVCSELの頂部ブラッグミラーの理論的モデル化(厳格な結合波理論
を用いた)から得た結果を図9に示す。格子ピッチは、TM偏光において直入射で低
下した反射率を有するミラーを形成し、一方、TE偏光において反射率が840 nmの
操作波長(VCSELを操作するように設計した)で高いままであるように選択した。
図7の構造体におけるこのモデルにおいては、GaAS基体上に生長させたそれぞれ7
0.68 nmおよび59.9 nmの厚さ(即ち、λ/4)であるAlAs(n=2.971、k=0.0001)およ
びAl0.12Ga0.78As(n=3.505、k=0.0001)の38の交互層が存在する。頂部格子層は
、266 nmの厚さであり、その頂部表面上で、最高深さ106 nmを有するシヌソイド
レリーフ格子を有する波形状である。即ち、VCSEL(90)は、格子溝に沿ったE電界
ポインティング(pointing)によってレーザー作動する(TE偏光)。格子層(92)内の
波形は、VCSELの頂部層の上にスピニングさせ得たホトレジスト層内でホトグラ
フにより形成できた。その後、得られた波形を、適切なエッチング法により半導
体層(92)中に転写させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第1の実施態様に従う頂部発光性VCSELの断面を略図的に示す。
【図２】 偏光P1の入射光波が入射するときの本発明の第1の実施態様に従うVCSELにおい
て使用するミラーの波形表面を略図的に示す。
【図３】 偏光P1に直交する偏光P2の入射光波が入射するときの本発明の第1の実施態様
に従うVCSELにおいて使用するミラーの波形表面を略図的に示す。
【図４】 本発明の第1の実施態様に従う底部発光性VCSELの断面を略図的に示す。
【図５】 金属表面上の表面プラズモンポラリトンの分散関係(周波数(ω)に対する波ベ
クトル(Kx)のグラフ)を示す。
【図６】 本発明の第1の実施態様に従う頂部発光性VCSELの透視図を略図的に示す。
【図７】 本発明の第2の実施態様に従うVCSELの頂部部分の断面を略図的に示す。
【図８】 図7で示したVCSELの格子表面、VCSEL空洞からこの格子表面に入射する光ビー
ムの通路、および発生した2つの反射光ビームの通路を略図的に示す。
【図９】 2つの直交偏光における波長に対する図7のVCSELの頂部ブラッグミラーの反射
率のグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ルイス メイリオン フランシス イギリス ワークス ダブリューアール14 ３ピーシー モルヴァーン セント ア ンドリュース ロード デラ モルヴァー ン ディフェンス エヴァリュエイション アンド リサーチ エイジェンシー (72)発明者 ウィルソン レベッカ アン イギリス ワークス ダブリューアール14 ３ピーシー モルヴァーン セント ア ンドリュース ロード デラ モルヴァー ン ディフェンス エヴァリュエイション アンド リサーチ エイジェンシー Ｆターム(参考） 5F073 AB17 CA01 CB02 CB08 EA22

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 垂直空洞表面発光性レーザー(VCSEL)内の光の第１偏光の利
    得をVCSEL内の光の第２直交偏光の利得に比較して選択的に促進させる１次元格
    子構造体を含むVCSEL。
  2. 【請求項２】 上記１次元格子構造体をVCSELの１末端部に位置させる請求
    項１記載のVCSEL。
  3. 【請求項３】 上記１次元格子構造体をVCSELの頂部末端に位置させる請求
    項2記載のVCSEL。
  4. 【請求項４】 VCSELがその頂部末端表面から光を発出させる請求項１〜３
    のいずれか１項記載のVCSEL。
  5. 【請求項５】 VCSELがその底部末端表面から光を発出させる請求項１〜４
    のいずれか１項記載のVCSEL。
  6. 【請求項６】 上記１次元格子構造体が、第１および第２直交偏光の両方を
    反射させてVCSELの空洞内に戻す請求項１〜５のいずれか１項記載のVCSEL。
  7. 【請求項７】 上記１次元格子構造体が、第１偏光を優先的に反射させてVC
    SELの空洞内に戻す請求項１〜６のいずれか１項記載のVCSEL。
  8. 【請求項８】 上記１次元格子構造体が、第１直交偏光を優先的に伝導する
    請求項１〜６のいずれか１項記載のVCSEL。
  9. 【請求項９】 上記１次元格子構造体が、第２直交偏光を優先的に吸収する
    請求項７記載のVCSEL。
  10. 【請求項１０】 上記１次元格子構造体に隣接したブラッグスタックをさら
    に含み、VCSEL構造体を、上記格子およびブラッグスタックが第１の偏光を実質
    的に同位相で反射させてVCSEL空洞に戻して第１偏光の反射光間の建設的干渉を
    促進させるように配列させる請求項１〜９のいずれか１項記載のVCSEL。
  11. 【請求項１１】 上記１次元格子構造体に隣接したブラッグスタックをさら
    に含み、VCSEL構造体を、上記格子およびブラッグスタックが第２の偏光を実質
    的に位相外れで反射させてVCSEL空洞に戻して第２偏光の反射光間の破壊的干渉
    を促進させるように配列させる請求項１〜１１のいずれか１項記載のVCSEL。
  12. 【請求項１２】 VCSELが、上部ブラッグミラー、利得領域、および下部ブ
    ラッグミラーを含み；上記１次元格子構造体を上記ブラッグミラーの１つに隣接
    したVCSELの１末端層内に位置させ；この末端層および/または場合により上記ブ
    ラッグミラーの隣接層が、第１偏光の反射光が上記ブラッグミラーの１つによっ
    て反射させた第１偏光の光を建設的に干渉するような厚さを有する請求項１〜９
    のいずれか１項記載のVCSEL。
  13. 【請求項１３】 VCSELが、上部ブラッグミラー、利得領域、および下部ブ
    ラッグミラーを含み；上記１次元格子構造体を上記ブラッグミラーの１つに隣接
    したVCSELの１末端層内に位置させ；この末端層および/または上記ブラッグミラ
    ーの隣接層が、第２偏光の反射光が上記ブラッグミラーの１つによって反射させ
    た第２偏光の光を破壊的に干渉するような厚さを有する請求項１〜９のいずれか
    １項記載のVCSEL。
  14. 【請求項１４】 上記ブラッグミラーの層が平坦である請求項１２又は１３
    記載のVCSEL。
  15. 【請求項１５】 上記1次元格子構造体が、ミラー上に入射する第２偏光の
    光が表面プラズモンポラリトンを励起させるように配列させた波形金属ミラーを
    含む請求項１〜１３のいずれか１項記載のVCSEL。
  16. 【請求項１６】 上記１次元波形金属ミラーのピッチ、λGが、下記の式に
    よって決定される請求項１５記載のVCSEL： 2π/λG = Kspp （式中、Ksppは、表面プラズモンポラリトンの波ベクトルである）。
  17. 【請求項１７】 表面プラズモンポラリトンを、上記１次元波形金属ミラー
    とVCSELの上部ブラッグミラーとの界面において発生させる請求項１５又は１６
    記載のVCSEL。
  18. 【請求項１８】 表面プラズモンポラリトンを、上記１次元波形金属ミラー
    と空気との界面において発生させる請求項１５又は１６記載のVCSEL。
  19. 【請求項１９】 上記１次元格子構造体が、VCSELの層として形成された第
    １順位の１次元回折格子を含み；上記層を、VCSEL軸に垂直方向の導波管として
    機能するように形成させ；上記格子が、格子溝のVCSEL空洞入射法線からの光の
    １部を直接反射させてVCSEL空洞内に戻し、かつ、格子溝のVCSEL空洞入射法線か
    らの光の１部を、第２偏光について間接的に反射させた光が、直接反射させた光
    を破壊的に干渉するような方法で導波管中に回折させ次いで導波管から逆回折さ
    せてVCSEL空洞に戻すことにより、間接的に反射させてVCSEL内に戻すように選択
    されたピッチを有する請求項１〜１３のいずれか１項記載のVCSEL。
  20. 【請求項２０】 １次元格子構造体を使用して、VCSEL内の光の第１偏光の
    利得を、VCSEL内の光の第２偏光の利得に比較して選択的に促進させる工程を含
    むことを特徴とする垂直空洞表面発光性レーザー(VCSEL)により発出された偏光
    の制御方法。
  21. 【請求項２１】 上記１次元格子構造体を、第１偏光を選択的に反射させて
    VCSELの空洞内に戻すように配列させる追加の工程を含む請求項２０記載の方法
    。
  22. 【請求項２２】 上記格子構造体に隣接するVCSELのブラッグミラーの層を
    用いて、第１偏光の上記１次元格子構造体からの反射光の位相を、反射光が上部
    ブラッグミラーの他の部分によって反射される第１偏光の光を建設的に干渉する
    ように変化させる追加の工程を含む請求項２０又は２１記載の方法。
  23. 【請求項２３】 上記格子構造体に隣接するVCSELのブラッグミラーの層を
    用いて、第２偏光の上記１次元格子構造体からの反射光の位相を、第２偏光の反
    射光が上部ブラッグミラーの他の部分によって反射される第２偏光の光を破壊的
    に干渉するように変化させる追加の工程を含む請求項２０〜２２のいずれか１項
    記載の方法。
  24. 【請求項２４】 VCSEL構造体を、上記格子および隣接ブラッグスタックが
    第１偏光を実質的に同位相で反射させてVCSEL空洞に戻して第１偏光の反射光間
    の建設的干渉を促進させるように配列させる工程を含む請求項２０〜２２のいず
    れか１項記載の方法。
  25. 【請求項２５】 VCSEL構造体を、上記格子および隣接ブラッグスタックが
    第２偏光を実質的に位相外れで反射させてVCSEL空洞に戻して第２偏光の反射光
    間の破壊的干渉を促進させるように配列させる工程を含む請求項２０〜２４のい
    ずれか１項記載の方法。
  26. 【請求項２６】 上記１次元格子構造体が、ミラーに入射する第２偏光の光
    が表面プラズモンポラリトンを励起させるように配列させた波形金属ミラーを含
    む請求項２０〜２５のいずれか１項記載の方法。
  27. 【請求項２７】 上記１次元波形金属ミラーのピッチ、λGが、下記の式に
    よって決定される請求項２６記載の方法： 2π/λG = Kspp （式中、Ksppは、表面プラズモンポラリトンの波ベクトルである）。
  28. 【請求項２８】 表面プラズモンポラリトンを、上記１次元波形金属ミラー
    とVCSELの上部ブラッグミラーとの界面において発生させる工程を含む請求項２
    ６又は２７記載の方法。
  29. 【請求項２９】 表面プラズモンポラリトンを、上記１次元波形金属ミラー
    と空気との界面において発生させる工程を含む請求項２６又は２７記載の方法。
  30. 【請求項３０】 上記１次元格子構造体が、VCSELの層として形成された第
    １順位の１次元回折格子を含み；上記層を、VCSEL軸に垂直方向の導波管として
    機能するように形成させ；上記格子が、格子溝のVCSEL空洞入射法線からの光の
    １部を直接反射させてVCSEL空洞内に戻し、かつ、格子溝のVCSEL空洞入射法線か
    らの光の１部を、第２偏光について間接的に反射させた光が、直接反射させた光
    を干渉するような方法で導波管中に回折させ次いで導波管から逆回折させてVCSE
    L空洞に戻すことにより、間接的に反射させてVCSEL内に戻すように選択されたピ
    ッチを有する請求項２０〜２５のいずれか１項記載の方法。
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