JP7595652B2 - 光学系およびその生産方法 - Google Patents

Description

本発明は、オプトエレクトロニクスの分野に関する。それは、例えばＬｉＤＡＲ（ライダ）（表現「ｌａｓｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ（レーザ検出および測距）」の頭字語）リモートセンシングレーザのためのまたは４００Ｇイーサネット型の中距離データコムレーザのための、半導体レーザ光源の生産を特に有利な応用として見出せる。

ブラッグミラーは、光損失を制限しつつ、上記ミラーへの垂直入射での光放射を反射することを可能にする。それは、したがって所与の波長λの光放射に対して９９％より大きな反射率Ｒを有することができる。

ブラッグミラーは、それゆえにレーザ応用のための、特に半導体レーザ光源のための光共振器の製造のために特に有利である。

公知の半導体レーザ光源アーキテクチャが図１Ａ、図１Ｂに示される。そのようなアーキテクチャは、２つの横ブラッグミラー１１、１２間に縦に延在するリボン導路１００、および増幅媒体２０を備えるファブリペロー型光共振器を典型的に備える。増幅媒体２０は、本明細書において、シリコンリボン１００に転写される、材料ＩＩＩ－Ｖから作られる、例えばリン化インジウムＩｎＰから作られるビネットである。実際には、ブラッグミラーは、リボン導路１００のコルゲーションによって生成される。それゆえに、それらは、それらの反射率特性を決定するコルゲーション係数κおよび長さＬ_ｇを各々有する。コルゲーション係数κは、

として表現できる。

式中、Ωはリボンを伝搬する光学モードの区間であり、ｎ_ｉｎｆおよびｎ_ｓｕｐはそれぞれ図３Ｂに例示されるようにリボンの低段および高段とそれぞれ対応する光学モードの実効屈折率であり、ｎ_{ｅｆｆ，ｇ}＝（ｎ_ｉｎｆ－ｎ_ｓｕｐ）ｄΛ＋ｎ_ｓｕｐはコルゲーションによって形成される格子の大域実効率（低段および高段に関連した率の加重平均）であり、Ｅはコルゲーションによって擾乱される領域外の光放射の電場である。

このレーザ光源の動作原理は次の通りである：波長λ近辺を中心とした発光スペクトルを有する光放射を放出するように増幅媒体が電気的に励起される。この光放射は、キャビティモードまたは縦モードと呼ばれる共振伝搬モードに従って、ブラッグミラーによって数回反射されつつ光共振器内を誘導的に伝搬する。各反射後に、光放射は、放出を誘発するために増幅媒体へ再導入される。ブラッグミラーの一方は閉込めミラーと呼ばれており、反射率Ｒ≧９９％を有し、キャビティの光損失を制限することを可能にする。他方のブラッグミラーは出力または抽出ミラーと呼ばれており、部分的に反射し（Ｒ≦５０％）、コヒーレントレーザビームが伝送されるのを可能にする。

このレーザビームは、光共振器および増幅媒体によって定められる波長に、波長λ近辺の微細線の離散集合を備える発光スペクトルを一般に有する。このレーザ発光スペクトルが図２に例示される。この発光スペクトルの別々の線はレーザビームの縦モードに対応する。線の幅は、光共振器の欠陥におよび増幅媒体内で発生される量子雑音に特に依存する。

縦モード間の波長間隔は、光共振器の自由スペクトル領域ＦＳＲ_λに対応し、光共振器の長さＬに特に依存する：

ｎ_ｅｆｆを光共振器の平均実効率とする。したがって、キャビティ長を増加させることによって、ＦＳＲ_λは減少し、レーザビームのスペクトルバンドはより多くの縦モードを潜在的に含む。

レーザビームはそのスペクトル純度によって特徴付けることができ、これはその発光スペクトル内の縦モードの数を反映する。発光スペクトル内の縦モードの数が減少するにつれてレーザビームのスペクトル純度は増加する。スペクトル純度は、２つの最強線の強度の比として表現できる。電気通信において、頭字語ＳＭＳＲ（Ｓｉｄｅ Ｍｏｄｅ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｒａｔｉｏ（サイドモード抑圧比）の）によっても知られている、この強度の比が約３０ｄＢより大きければ、レーザビームは波長λの単一モードレーザビームと考えられる。

レーザビームのスペクトル純度を改善することを可能にする１つの解決策は、キャビティ長を減少させることにある。この種類の解決策は、キャビティ長を減少させることによってレーザビームの光強度が減少するので、高光強度を必要とするレーザ光源に対しては適合されない。

レーザビームのスペクトル純度を改善することを可能にする別の解決策は、レーザビームをスペクトルフィルタリングするように出力ブラッグミラーの寸法を設定することにある。

光共振器のブラッグミラーは、波長λを中心とした反射率ピークを各々有する。

この反射率ピークは、ブラッグミラーのスペクトルストップバンドまたは「阻止帯域」を定める或るスペクトル幅δω_ＤＢＲを有する。

この阻止帯域幅δω_ＤＢＲ（ｎｍ）は、格子強度とも呼ばれる、ブラッグ格子のコルゲーション係数κにおよびブラッグ格子の長さＬ_ｇに特に依存する：

式中、ｖ_ｇは光放射の群速度である。

出力ミラーの十分に低い阻止帯域幅δω_ＤＢＲが、レーザビームの発光スペクトルをフィルタリングし、この発光スペクトルの幅を減少させることを可能にする。レーザビームのスペクトル純度は、したがって出力ミラーの阻止帯域が狭いほど良い。

図３Ａは、波長λ＝１５４７ｎｍの光放射に対する、ＦＳＲ_λ＝０．３２ｎｍの光共振器の閉込めミラー（Ｌ_ｇ＝５００μｍ、Ｒ≒１００％、δω_ＤＢＲ２≒２ｎｍ）のおよび出力ミラー（Ｌ_ｇ＝１００μｍ、Ｒ≒４６％、δω_ＤＢＲ≒４ｎｍ）の反射率Ｒおよび阻止帯域を例示する。垂直線はビームの別々の縦モードを例示しており、ＦＳＲ_λだけ分離される。

この例では、光共振器は約１ｍｍの長さＬを有し、そして閉込めおよび出力ミラーは高さｔ＝１０ｎｍのコルゲーションを有する。図３Ｂは、高さｔの、周期Λあたり長さｄのそのようなコルゲーションを有する長さＬ_ｇのブラッグミラーを断面で例示する。

この種類の解決策は、５ｍＷと２０ｍＷとの間に含まれる光強度を必要とするデータ伝送（データコム）または電気通信（テレコム）応用のための単一モード赤外レーザ光源（λ≒１５５０ｎｍ）を得ることを可能にする。

他方で、ＬｉＤＡＲ（レーザ検出および測距）型の応用または４００Ｇイーサネット型の中距離データコム応用に対して、この種類の解決策は、十分な、典型的に１００ｍＷより大きな強度も単一モードレーザビームも両方を得ることは可能にしない。

これらの応用のために必要とされる光強度を達成するために、増幅媒体の長さ、それゆえに光共振器の長さＬが増加されなければならない。特に、光共振器の長さは、前例のそれより少なくとも３倍大きくなり得る。このキャビティ長の増加は、比例して自由スペクトル領域ＦＳＲ_λの減少を誘発する。

前例の出力ミラーの特徴では、そのような光共振器のために単一モードビームを得ることをもはや可能にしない。特に、出力ミラーの阻止帯域幅（δω_ＤＢＲ≒４ｎｍ）は、そのような光共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲ_λ≒０．１１ｎｍ）と比較してあまりに大きい。

それゆえに、減少された阻止帯域幅を有する半導体レーザのための出力ブラッグミラーを提案することにある必要性がある。

本発明の目的は、そのような出力ブラッグミラーを備えるレーザを提供することである。

特に、本発明の目的は、特に１００ｍＷ以上の光強度を有する半導体レーザのための、レーザビームのスペクトル純度を改善する出力ブラッグミラーを備える半導体レーザを提供することである。

本発明の別の目的は、そのようなレーザを生産するための方法を提供することである。

本発明の別の目的は、光強度が１００ｍＷ以上の単一モード半導体レーザを提供することである。

本発明のその他の目的、特徴および利点は、以下の説明および添付の図面を吟味することで明らかになるであろう。他の利点が援用され得ることが理解される。特に、ブラッグミラーの一部の特徴および一部の利点は上記光学系におよび／または上記方法に準用し得る、また逆も同じである。

この目的を達成するために、第１の態様は、第１の材料に基づくリボンと、上記リボンの第１の部分から形成される第１のブラッグミラーと、リボンの第２の部分から成る第２のブラッグミラーと、リボンの第３の部分から成る、第１および第２のブラッグミラー間に位置する光共振器と、リボンの上記第３の部分における、第４の材料に基づく増幅媒体とを備える光学系に関する。

第１のブラッグミラーは、第１の屈折率ｎ１を有する第１の材料に基づく第１のリボン部分から成る。リボンは、第１の方向ｘに主に延在し、上記第１の方向ｘに波長λの光放射の伝搬を導くと意図される。第１のブラッグミラーは、上記第１のリボン部分の少なくとも１つの面にコルゲーションを更に備え、上記コルゲーションは、第１の方向ｘに垂直の第２の方向ｙに主に延在し、第１および第２の方向ｘ、ｙに垂直の第３の方向ｚに高さｈ３を有する。

有利には、コルゲーションは、第３の方向ｚにとられる厚さｅ２を有し、第２の屈折率ｎ２を有する第２の材料に基づく分離層によって第１のリボン部分の上記少なくとも１つの面から分離される。

有利には、コルゲーションは、ｎ２＜ｎ３かつｎ２＜ｎ１であるように、第３の屈折率ｎ３を有する第３の材料に基づく。

したがって、コルゲーションは、リボンの面に対向しかつ分離層によってリボンの上記面から分離される。

リボンは、ｘに沿って、縦に光放射の伝搬を導く。光放射の光学モードは、それゆえにリボンに閉じ込められる。リボンは、したがって、ｘに沿ったその寸法より小さく、好ましくはかなり小さく、かつ方向ｙ、ｚの少なくとも一方に関しては例えば少なくとも１００倍小さな横方向ｙ、ｚに沿った寸法を有する。閉込めは、低屈折率材料でリボンを外装することによって典型的に得られる。閉込めは、したがってリボン自体とリボンを囲む外装との間の、率の対比によって達成される。光閉込めは、部分的にリボンの幾何形状に、典型的にその横断面の形状によることもできる。

光導路を形成するそのようなリボンは、それゆえに、一般にｘにもｙにも延在する基板とは別個である。基板は、１つの方向にまたは単一方向に光放射の伝搬を導くことは許容しない。基板は、複数のデバイスを搭載すると典型的に意図される。特に、基板は、本発明に係るブラッグミラーと関連付けられたリボン導路を搭載できる。

リボンおよびこのリボンの一部から成るミラーは、したがって誘導光学の分野のために意図される。リボンは好ましくは単一モードである、すなわちそれは光放射の単一伝搬モード、典型的に基本モードを導く。ミラーへ統合されるリボン部分はリボン自体と同じ特徴を典型的に有する。リボンのこの部分は、特に光放射を閉じ込めることを可能にする。ミラーのリボン部分に閉じ込められる光放射の部分は、したがってミラーのコルゲーションの各々によってｘに沿って反射される。同位相で反射される部分は、したがってｘに沿って反射される光放射を再形成する。ミラーは、それゆえに一次反射機能を行うが、光伝搬機能も備える。

コルゲーションは光放射の伝搬を擾乱する。コルゲーション係数κは、したがって阻止帯域幅δω_ＤＢＲを部分的に決定する。コルゲーション係数が大きいほど、ミラーの阻止帯域幅は大きくなる。反対に、コルゲーション係数が減少すると、ミラーの阻止帯域幅は減少する。

コルゲーション係数を低下させることを可能にする１つの解決策は、コルゲーションの高さを減少させることにある。本発明の開発との関連では、数ナノメートルの範囲の高さを有するコルゲーションを、再現可能かつ制御された様式で得るために必要とされるエッチング技術は実装するのが非常に困難であることが実際に判明した。

逆に、この場合、コルゲーション係数の低下は、コルゲーションの高さの減少を克服することによって得られる。

したがって、分離層の使用が、光放射が伝搬するリボンからコルゲーションを物理的に遠ざけることを可能にする。擾乱の強度は、コルゲーションとリボンとの間の、第３の方向ｚの距離の増加と共に減少する。ブラッグミラーのコルゲーション係数κおよび阻止帯域幅δω_ＤＢＲは、したがってこの物理的距離または分離効果によって減少される。

リボンおよびコルゲーションのそれらに対して低い屈折率を有するこの分離層のための第２の材料、典型的に誘電材料の使用は、光放射が伝搬するリボンからコルゲーションを光学的に分離することを更に可能にする。

屈折率ｎ２の分離層は、それゆえに、リボンからコルゲーションを物理的に分離することによって、および光放射を低率で光学的に変調することによって相乗効果を有する。これは、ブラッグミラーの阻止帯域幅を更に減少させることを可能にする。

コルゲーションは、したがってリボンに対して「浮遊」している。電磁的観点から、コルゲーションは、リボンを伝搬する光放射の電磁場を擾乱する島を形成する。光放射の電磁擾乱は誘電体バリアによって減衰される。それらは、島とリボンとの間の距離の増加と共に更に自然に減少する。これらの浮遊コルゲーションは、減少されたコルゲーション係数を有する。

上記光学系は、高スペクトル純度を有するレーザを有利にも形成できる。阻止帯域幅が減少された出力ミラーが備えられるそのようなレーザは、有利にも単一モードのままでありつつ増加されたキャビティ長を更に有することができる。レーザの光強度を、したがって、３０ｄＢより大きなＳＭＳＲを維持しつつ、例えば１００ｍＷ以上の値に増加できる。

第２の態様は、
－ 第１の屈折率ｎ１を有する第１の材料に基づくリボンであって、第１の方向ｘに主に延在し、第１の方向ｘおよび第１の方向ｘに垂直の第２の方向ｙによって形成される主延在平面ｘｙに延在する面を有する、リボンを準備するステップと、
－ リボンの上記面の少なくとも第１の部分に、ｎ２＜ｎ１であるように第２の屈折率ｎ２を有する第２の材料に基づく分離層であって、第１および第２の方向ｘ、ｙに垂直の第３の方向ｚにとられる厚さｅ２を有する、分離層を堆積させるステップと、
－ 分離層に、ｎ２＜ｎ３であるように、第３の屈折率ｎ３を有する第３の材料に基づく擾乱層であって、第３の方向ｚにとられる厚さｅ３を有する、擾乱層を堆積させるステップと、
－ 第２の方向ｙに主に延在し、第３の方向ｚに高さｈ３≦ｅ３を有するコルゲーションであって、分離層およびリボンの第１の部分で第１のブラッグミラーを形成する、コルゲーションを形成するように擾乱層をエッチングするステップと、
－ リボンの第２の部分に第２のブラッグミラーを形成するステップと、
－ 第１および第２の部分間に位置するリボンの第３の部分に、第４の材料に基づく増幅媒体を転写するステップとを含む、レーザを製造するための方法に関する。

コルゲーションの高さｈ３は好ましくは１０ｎｍより大きく、更に好ましくは２０ｎｍより大きい。そのような高さｈ３のエッチングは、数ナノメートル未満、例えば５ｎｍ未満のエッチングより容易に達成可能である。本発明の方法に従ってコルゲーションをエッチングするステップは、それゆえに、コルゲーションの高さを減少させることを目指す解決策と比較して単純化される。有利には、分離層は、擾乱層のエッチングのためのストップ層として使用でき、ｈ３＝ｅ３である。したがって、コルゲーションの高さｈ３は完全に再現可能でありかつ十分に制御される。リボンの面も、コルゲーションのエッチング中に起こり得るオーバエッチングから保護される。これは、高品質係数のブラッグミラーを生産することを可能にする。

本発明の意図、目的の他に特徴および利点は、以下の添付図面によって例示されるその一実施形態の詳細な説明からより良好に明らかになるであろう。

公知の半導体レーザ光源アーキテクチャを上面図で例示する図である。 公知の半導体レーザ光源アーキテクチャを断面図で例示する図である。 レーザの典型的な発光スペクトルを表す図である。 先行技術に係るレーザの閉込めおよび出力ミラーの反射率および阻止帯域を例示する図である。 先行技術に係るコルゲーションを有するブラッグミラーを断面で例示する図である。 本発明の一実施形態に係るブラッグミラーの平面ｙｚにおける断面図である。 本発明の一実施形態に係るブラッグミラーの平面ｘｚにおける断面図である。 本発明の一実施形態に係るブラッグミラーの上面図である。 本発明の別の実施形態に係るブラッグミラーの上面図である。 先行技術に係るブラッグミラーの反射率および阻止帯域を示す図である。 本発明の一実施形態に係るブラッグミラーの反射率および阻止帯域を示す図である。

図面は例として与えられており、本発明を限定するものではない。それらは、本発明の理解を容易にすると意図される概略原理表現を構成しており、必ずしも実際的応用にスケーリングされているわけではない。特に、ブラッグミラーの別々の層およびコルゲーションの相対寸法は現実を表していない。

本発明の実施形態の詳細な検討を始める前に、第１のブラッグミラーが、組み合わせてまたは代替的に使用できる以下の任意選択の特徴を特に備えることが想起される。

一例によれば、コルゲーションは、分離層が上記コルゲーション間に露出されるように互いから分離される。

一例によれば、コルゲーションは、第２の材料に基づく封止層で封止される。

一例によれば、コルゲーションの高さｈ３は５ｎｍ以上および／または３０ｎｍ以下である。

一例によれば、分離層の厚さｅ２は１０ｎｍ以上および／または５０ｎｍ以下である。

一例によれば、コルゲーションは、第１および第２の方向ｘ、ｙによって形成される主延在平面ｘｙに突出する断熱パターンを有する。

一例によれば、高さｈ３および厚さｅ２は、ミラーが０．５ｎｍ以下のスペクトルバンド幅δω_ＤＢＲを有するように構成される。

一例によれば、第１の屈折率ｎ１は３以上であり、第２の屈折率ｎ２は２以下であり、第３の屈折率ｎ３は１．５以上である。

一例によれば、第３および第２の屈折率はｎ３－ｎ２≦０．５のようなものである。

一例によれば、第１の材料はシリコンであり、第２の材料は酸化シリコンであり、第３の材料は窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルからとられる。

一例によれば、リボンは単一モード導路を形成する。

一例によれば、ミラーは、光放射の伝搬の第１の方向ｘに直角な平面に沿った入力および出力を有する。

一例によれば、コルゲーションは、光放射の伝搬の第１の方向ｘに平行な、擾乱層と呼ばれる層に含まれる。

その第１の態様による本発明は、組み合わせてまたは代替的に使用できる以下の任意選択の特徴を特に備える。

一例によれば、光共振器は、５００μｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上、更に好ましくは３ｍｍ以上である第１の方向（ｘ）の長さＬｃを有する。

一例によれば、第２のブラッグミラーは、９９％以上である反射率および２ｎｍ以上であるスペクトルバンド幅δω_ＤＢＲ２を有する。

一例によれば、第２のブラッグミラーは、リボンの第２の部分の少なくとも１つの面と直接接触する第１の材料に基づく第２のコルゲーションを備え、上記第２のコルゲーションは５ｎｍ以上の高さｈ２を有する。

一例によれば、光学系は、ＬｉＤＡＲ（「ｌａｓｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ（レーザ検出および測距）」の頭字語）と呼ばれるレーザ検出および測距システムに実装されるように構成されるリモートセンシングレーザを形成する。

本発明は、その第２の態様によれば、組み合わせてまたは代替的に使用できる以下の任意選択の特徴を特に備える。

一例によれば、上記方法は、第２の材料に基づく封止層によってコルゲーションを封止するステップを更に含む。

一例によれば、エッチングは、コルゲーションの高さｈ３が擾乱層の厚さｅ３に等しいように分離層と擾乱層との間の界面において停止される。

一例によれば、エッチングは、２：１以上、好ましくは５０：１以上である擾乱および分離層間の選択性Ｓ_ｐ：ｓを有する。

一例によれば、コルゲーションの高さｈ３は５ｎｍ以上および／または３０ｎｍ以下であり、分離層の厚さｅ２は２０ｎｍ以上および／または５０ｎｍ以下である。

非互換性を除けば、上記ミラー、上記製造方法および上記光学系が以上の全ての任意選択の特徴を、必要な変更を加えて含み得ることが理解される。

本発明の文脈では、用語「ブラッグミラー」、「ブラッグ格子」または「分布ブラッグ反射器」もしくは他に「ＤＢＲ」は同義語として使用される。ブラッグミラーは、本明細書において導波路における反射器として使用されるように構成される。それは、異なる屈折率の材料の交互配列から成る。この交互配列は、導波路における実効屈折率の周期変動を誘発する。そのような交互配列は、本発明に係るブラッグミラーの文脈では少なくとも２回再現される。

ブラッグミラーと協働する導波路は、好ましくはリボンレーザ応用のために特に使用されるリボン型導波路である。リボンレーザはＤＢＲ型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ（分布ブラッグ反射器））またはＤＦＢ型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ（分布帰還））であることができる。ＤＢＲレーザは２つのブラッグミラーを典型的に備える。ＤＦＢレーザは単一のブラッグミラーを典型的に備える。

リボンは主方向ｘに沿って連続的に延在する。それはｘに沿って光放射の伝搬を導く。図１Ａに例示されるように、平面ｙｚにおけるリボンの断面は、必ずしもリボン１００に沿って一定であるわけではない。特に、１つまたは複数のテーパ１０１、１０２が光放射の伝搬を局所的に変調できる。これは、例えば、キャビティの部分１０（リボン）における光放射の伝搬とキャビティの部分２０（増幅媒体）における光放射の伝搬との間の断熱通路を可能にする。リボン断面は可変形状を有することもできる。図１Ａに例示される例によれば、それは、ブラッグミラー１１、１２において矩形でよく、かつ光共振器１０においてリッジプロファイルを有してよい。本発明の文脈では、リボンは、リボンもしくはストリップ導路を示し得る、またはリッジもしくはリブ導路の一部、典型的にリッジ導路の最厚中央部分だけを示し得る。したがって、リッジまたはリブ導路は本発明の意味内でリボンを構成する。

リボンは、ＤＢＲまたはＤＦＢ型リボンレーザのブラッグミラーおよび光共振器の形成にそれぞれ寄与する幾つかの部分を典型的に備える。図１Ｂに例示されるように、リボン１００の第１の部分１１０が第１のブラッグミラー１１に相当し、リボン１００の第２の部分１２０が第２のブラッグミラー１２に相当し、そしてリボン１００の第３の部分１３０が光共振器に相当する。ブラッグミラーに含まれるリボンの部分は、それゆえに必ずリボンの残りと協働する。

ブラッグミラーは、リボンの少なくとも１つの面にコルゲーションを備える。これらのコルゲーションはリボンの面から突出する。それらは主縦方向ｘに直角に延在する。「コルゲーション」は、それゆえに突出した横レリーフに相当する。先行技術に係るブラッグミラーのコルゲーションは典型的にリボンの面と直接接触している（図３Ｂ）。本発明に係るブラッグミラーのコルゲーションは典型的に分離層によってリボン面から分離される（図４Ｂ）。

本発明の文脈では、第１の層と第２の層との間に介在される第３の層は、必ずしも層が互いと直接接触していることを意味するわけではなく、別段の規定がない限り、第３の層が第１および第２の層と直接接触しているか、それらから少なくとも１つの他の層または少なくとも１つの他の要素によって分離されているかを意味することが明記される。

層形成ステップ、特に分離のそれらおよび擾乱のそれは広義に理解されるものであり、それらは、必ずしも厳密に連続するわけではない幾つかのサブステップで実施できる。

材料Ｍに「基づく」基板、フィルム、層は、この材料Ｍだけまたはこの材料Ｍおよび場合により他の材料、例えば合金元素、不純物もしくはドーピング元素から成る基板、フィルム、層を意味する。適宜、材料Ｍは異なる化学量を有してよい。したがって、窒化シリコンに基づく材料から作られる層は、例えばＳｉＮ層またはＳｉ_３Ｎ_４層（一般に化学量論的窒化シリコンと呼ばれる）であることができる。

本特許出願において、第１、第２および第３の方向は、好ましくは正規直交座標系の軸ｘ、ｙ、ｚによって搬送される方向にそれぞれ対応する。この座標系は添付の図に表される。

以下では、長さは第１の方向ｘにとられ、幅は第２の方向ｙにとられ、そして厚さは第３の方向ｚにとられる。

以下では、屈折率が、材料に対して、場合により平均またはモデル材料に対して、およびこの材料における光放射の波長に対して定められる。屈折率は、考慮中の材料における光の伝搬速度に対する伝わり速度ｃ（真空中の光速度）の比に等しい。光は、縦方向ｘに沿って伝搬すると仮定される。

ｎ１は、第１の材料における波長λの光束の伝搬に対する第１の屈折率である。

ｎ２は、第２の材料における波長λの光束の伝搬に対する第２の屈折率である。

ｎ３は、第３の材料における波長λの光束の伝搬に対する第３の屈折率である。

用語「実質的に」、「ほぼ」、「の範囲の」は「１０％以内」または角度方位の場合「１０以内」を意味する。したがって、平面に実質的に垂直の方向は、平面に対して９０±１０°の角度を有する方向を意味する。

ブラッグミラーの幾何形状を判定するために、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）分析を実施できる。これらの技術は、ナノメートル構造の寸法を判定するために十分に適合されている。それらは、典型的な構造解析またはリバースエンジニアリング方法に従って、装置を通じて作製された冶金切片または薄切片から実装できる。

異種材料の化学組成はＥＤＸまたはＸ－ＥＤＳ型分析（「ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）」の頭字語）から判定できる。この技術は、細いコルゲーションなどの小構造の組成を分析するように十分に適合されている。それは、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）内の冶金切片にまたは透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）内の薄切片に実装できる。

ブラッグミラーの反射率および阻止帯域測定は、赤外分光法によって、例えばフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光法によって行うことができる。ブラッグミラーの阻止帯域幅は中間高さにおいて測定される。ブラッグミラーの反射率および阻止帯域は、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ（有限差分時間領域））方法と呼ばれる有限差分時間領域計算を通じても判定できる。

本発明は、ここで幾つかの非限定的な実施形態を通じて詳細に記載されることになる。

図４Ａ、図４Ｂおよび図５Ａを参照しつつ、ブラッグミラー１１の第１の実施形態は、シリコンから作られる第１のリボン１００部分１１０、部分１１０の面１１００に直接形成される、酸化シリコンから作られる分離層１１１、および分離層１１１の面１１１０に直接形成される、窒化シリコンから作られるコルゲーション１１２から成る。

部分１１０は、代替的にシリコン合金、例えばシリコンゲルマニウム、またはゲルマニウムから作られてよい。それは、典型的に３より大きな屈折率ｎ１を有する。それは、例えば５００ｎｍの範囲の厚さｅ１を有する。それは、シリコンオンインシュレータＳＯＩまたはゲルマニウムオンインシュレータＧｅＯＩ型基板からリソグラフィ／エッチングによって形成できる。この部分１１０は、５０ｐｍから１０００ｐｍの範囲の長さＬｇ、および５ｐｍから２０ｐｍの範囲の幅Ｗを有することができる。部分１１０は、したがって下の酸化物層におよび横の酸化物層に典型的に接している（例示せず）。

この部分１１０の面１１００は、リボンの面のコルゲーションの形態の周期構造化を用いる公知の解決策とは異なり、有利にも構造化されない。極細コルゲーション（＜５ｎｍ）の複合エッチングの問題は、したがって有利にも排除される。部分１１０は、その面１１００において分離層１１１に接している。

分離層１１１は、好ましくは１０ｎｍと５０ｎｍとの間に含まれ、例えば２０ｎｍと４０ｎｍとの間に含まれる厚さｅ２を有する。それは、２より小さな屈折率ｎ２を有する。酸化シリコンから作られるそのような分離層１１１の形成は完全に知られており、容易に達成可能である。それは、リボン１００の部分１１０の面１１００に露出されるシリコンの熱酸化によって形成できる。代替的に、それは、例えば化学蒸着型ＣＶＤの堆積技術によって堆積できる。分離層１１１は面１１００全体を覆う。

コルゲーション１１２は、好ましくは分離層１１１と直接接触している。それらは、５ｎｍより大きく、好ましくは１０ｎｍより大きく、例えば２０ｎｍから２５ｎｍの範囲の、または約５０ｎｍまでもの高さｈ３を有する。コルゲーションのそのような範囲の高さｈ３は、ミラーのコルゲーション係数のより微細な調整を可能にする。

コルゲーション１１２は、光放射の波長λの関数として計算される長さｄおよび周期Λを有する。典型的に、長さｄは、

に等しい。

周期Λは、

に等しい。

波長λが１．５ｐｍにほぼ等しい放射に対して、長さｄは典型的に１５０ｎｍの範囲であり、周期Λは典型的に２５０ｎｍの範囲である。コルゲーションの幅は好ましくはＷ以上である。リボン１００の幅Ｗより僅かに大きなコルゲーションの幅が、リボンに対するコルゲーションのｚに沿った任意の不整列を克服することを可能にする。コルゲーション１１２がリボンの幅Ｗ全体を覆う確率はしたがって改善される。平面ｘｙにおけるコルゲーションの寸法設定は、それ自体が知られている。

コルゲーションは、１．５より大きくかつｎ２より大きな屈折率ｎ３を有する。それらは、好ましくは窒化シリコンから作られる。それらは、代替的にかつ限定することなく窒化アルミニウムから、または酸化アルミニウムから、または酸化タンタルから作ることができる。

コルゲーションの形成は、好ましくは２つのステップで行われる。第１のステップは、分離層１１１に擾乱層と呼ばれる層を、例えばＣＶＤによって堆積させることにある。この擾乱層は厚さｅ３を有する。第２のステップは、コルゲーション１１２を形成するようにリソグラフィ／エッチングによって擾乱層を構造化することにある。エッチングは、好ましくはドライプロセスによって行われる。エッチング深さはコルゲーションの高さｈ３に相当する。コルゲーション１１２は、好ましくは、図４Ｂに例示されるように、互いとは別個であり分離される。この場合、ｈ３＝ｅ３であり、分離層１１１の面１１１０はエッチング後にコルゲーション間に露出される。分離層１１１は、それゆえにエッチングストップ層として有利にも使用される。エッチングは、好ましくは、ドライエッチングの場合２：１以上の、または特にウェットエッチングの場合５０：１もの擾乱および分離層間の選択性Ｓ_ｐ：ｓを有する。

代替的に、コルゲーション１１２は、擾乱層の厚さｅ３より小さな高さｈ３を有する。それらは、分離層１１１と接触する擾乱層の下部分によって相互接続される。エッチングは、この場合、分離層１１１の面１１１０に達する前に停止される。

エッチング後に、コルゲーション１１２は、好ましくは、例えばＣＶＤによる酸化シリコン堆積物によって封止される。封止層は、好ましくはコルゲーションから成りかつリボンと反対のミラーの面全体を覆い、それは、有利にはコルゲーション間の空間も埋め、したがって分離層の露出部分（コルゲーションによって覆われない部分を意味する）を覆う。

この第１の実施形態によれば、コルゲーションは、したがって、図５Ａに例示されるように、酸化シリコンの母体に埋め込まれる窒化シリコンバーに類似している。コルゲーションは、好ましくは一定幅を有する。このように形成されるブラッグミラーは、その長さＬｇに沿って数十のコルゲーションを備える。コルゲーションの数は、例えば１０と１００との間に含まれる。

図５Ｂに例示される第２の実施形態によれば、コルゲーション１１２は、断熱パターンと呼ばれるパターンに配置される。全ての条件が等しければ、コルゲーションのこの配置だけが第１の実施形態と異なる。そのような断熱パターンは、平面ｘｙにおいて、コルゲーションが無い第１のゾーン３１およびコルゲーション１１２が有る第２のゾーン３２を画定する先細プロファイル３０、例えば尖頭または放物線プロファイルを有する。分離層１１１の面１１１０は、この場合コルゲーション１１２を欠いたゾーン３１全体にわたって露出される。ゾーン３１は、好ましくは方向ｙにおいてゾーン３２の中央とされる。

そのような断熱パターンは、公知の様式で、ブラッグミラーの反射の間に光放射の伝搬を徐々に変調することを可能にする。これは、ブラッグミラーにおける回折による光損失を制限することを可能にする。光共振器の寄生損失がしたがって制限される。ゾーン３１は、したがって、光放射が伝搬する光共振器または導波路に隣接すると意図されるミラーの第１の側から、方向ｘに第１の側と反対のミラーの第２の側に向けて徐々に減少する幅を有する。ゾーン３２は、ゾーン３１の境をなすコルゲーションの一部、およびミラーの第２の側における完全な－すなわち幅Ｗ全体に沿って延在する－コルゲーションを含む。ゾーン３２内の完全なコルゲーションの数は５と２０との間に含めることができる。

ゾーン３１の最大幅Ｗｚは、好ましくはゾーン３２の幅Ｗより小さい。幅比Ｗｚ／Ｗは０．５と０．９との間に含めることができる。ゾーン３１の長さＬｚはゾーン３２の長さＬｇより小さい。長さの比Ｌｚ／Ｌｇは０．５と０．９との間に含めることができる。ゾーン３１の面積はゾーン３２のそれより小さくてよい。ゾーン３１、３２の面積の比は０．５と０．９との間に含まれてよい。

これらの第１および第２の実施形態に従ってこのように形成されるブラッグミラーは減少された阻止帯域幅を有する。第２の実施形態に従って形成されるブラッグミラーは改善された効率を更に有する。

図６Ａおよび図６Ｂは、先行技術に係るミラー（図６Ａ）のおよび本発明に係るミラー（図６Ｂ）の阻止帯域幅δω_ＤＢＲを比較する。５０％の範囲の類似した反射率に対して、本発明に係るミラーの阻止帯域幅（δω_ＤＢＲ≒０．６ｎｍ、図６Ｂ）は、先行技術に係るミラーの阻止帯域幅（δω_ＤＢＲ≒４ｎｍ、図６Ａ）と比較して極めて有意に減少される。この例で提示される阻止帯域幅δω_ＤＢＲ≒０．６ｎｍは本発明に係るミラーの阻止帯域幅限界値ではない。この阻止帯域幅は、例えば分離層の厚さｅ２を増加させることによっておよび／またはコルゲーションの高さｈ３を減少させることによって更に減少させることができる。

そのようなブラッグミラーは、ＤＢＲ型リボンレーザの出力ミラーとして有利にも実装できる。特に、先行技術に係るミラー１１を本発明に記載されるブラッグミラーによって置き換えることによって、図１Ａおよび図１Ｂに例示されるＳｉ上のＩＩＩ－Ｖアーキテクチャと呼ばれるアーキテクチャを使用できる。減少された阻止帯域幅のこのミラーの使用は、単一モードレーザビームを維持しつつ光共振器１０を長くすることを可能にする。基準とされるレーザのキャビティの長さＬに対して光共振器を係数Ｘだけ長くすることによって、自由スペクトル領域ＦＳＲ_λは同じ係数Ｘだけ減少される。基準レーザビームのＳＭＳＲ比を保つために、次いで阻止帯域幅をこの同じ係数Ｘだけ減少させることが必要である。

それゆえに、本発明に係るブラッグミラーが、基準レーザのそれよりＸ倍大きな光共振器を有するＤＢＲ型のＳｉ上のＩＩＩ－Ｖリボンレーザを生産するために適切であることが明らかなようである。増幅媒体の長さおよびそれゆえに体積を比例して増加させることによって、そのようなレーザの強度も基準レーザのそれより約Ｘ倍大きい。本発明に係るブラッグミラーは、それゆえに、先行技術に係るブラッグミラーを備える基準レーザよりほぼＸ倍強力なＳｉ上のＩＩＩ－Ｖレーザを生産することを可能にする。この係数Ｘは、本発明の文脈では少なくとも６である。

本発明に記載されるような出力ミラーを備えるＳｉ上のＩＩＩ－Ｖレーザは、したがって３ｍｍの範囲のキャビティ長Ｌ、２ｍｍの範囲の増幅媒体長および０．１１ｎｍの範囲のＦＳＲ_λを有することができる。そのようなレーザは、１．５ｐｍの範囲の発光波長に対して３０ｄＢより大きなＳＭＳＲを維持しつつ、１００ｍＷ以上の光強度を有利にも有する。このレーザの閉込めミラー１２は、好ましくはリボン１００の部分１２０に直接形成されるコルゲーションを備える。それは、したがって出力ミラー１１のそれより非常に大きな阻止帯域幅を有する。これは、ミラー１２に対して広帯域（例えばδω_ＤＢＲ２≧１０ｎｍ）にわたるほとんど全反射率（Ｒ≧９９％）から、およびミラー１１に対して極狭帯域（例えばδω_ＤＢＲ≦０．６ｎｍ）での半反射率（Ｒ≦５０％）から利益を得ることを可能にする。そのようなレーザは、ＬｉＤＡＲおよび長距離４００Ｇテレコム応用のために有利に使用できる。

本発明は、上記した実施形態に限定されず、請求項によって包含される全ての実施形態に及ぶ。

１０ 光共振器
１１ 第１のブラッグミラー
１２ 第２のブラッグミラー
２０ 増幅媒体
３０ 先細プロファイル
３１ 第１のゾーン
３２ 第２のゾーン
１００ リボン
１０１、１０２ テーパ
１１０ 第１の部分
１１１ 分離層
１１２ コルゲーション
１２０ 第２の部分
１３０ 第３の部分
１１００ 面
１１１０ 面

Claims (16)

1. － 第１の屈折率ｎ１を有する第１の材料に基づくリボン（１００）であって、第１の方向（ｘ）に主に延在し、前記第１の方向（ｘ）に波長λの光放射の伝搬を導くように意図される、リボン（１００）と、
   － 前記リボン（１００）の第１の部分から形成される第１のブラッグミラー（１１）であって、前記第１のブラッグミラー（１１）が、前記リボン（１００）の第１の部分（１１０）の少なくとも１つの面（１１００）にコルゲーション（１１２）を更に備え、前記コルゲーション（１１２）が、前記第１の方向（ｘ）に垂直の第２の方向（ｙ）に主に延在し、前記第１および第２の方向（ｘ、ｙ）に垂直の第３の方向（ｚ）に高さｈ３を有し、前記第１のブラッグミラー（１１）の前記コルゲーション（１１２）が、前記第３の方向（ｚ）にとられる厚さｅ２を有し、且つ第２の屈折率ｎ２を有する第２の材料に基づく分離層（１１１）によって前記リボン（１００）の第１の部分（１１０）の前記少なくとも１つの面（１１００）から分離され、前記コルゲーション（１１２）が、ｎ２＜ｎ３かつｎ２＜ｎ１であるように、第３の屈折率ｎ３を有する第３の材料に基づいている、第１のブラッグミラー（１１）と、
   － 前記リボン（１００）の第２の部分を含む第２のブラッグミラー（１２）と、
   － 前記リボン（１００）の第３の部分を含む、前記第１および第２のブラッグミラー（１１、１２）間に位置する光共振器と、
   － 前記リボン（１００）の前記第３の部分における、第４の材料に基づく増幅媒体と
   を備える光学系。
2. 前記コルゲーション（１１２）が、前記第２の材料に基づく封止層で封止される、請求項１に記載の光学系。
3. 前記コルゲーションの前記高さｈ３が５ｎｍ以上および／または３０ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の光学系。
4. 前記分離層（１１１）の前記厚さｅ２が１０ｎｍ以上および／または５０ｎｍ以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学系。
5. 前記コルゲーションが、前記第１および第２の方向（ｘ、ｙ）によって形成される主延在平面（ｘｙ）に突出し、先細プロファイルを有している断熱パターン（３０）を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学系。
6. 前記高さｈ３および前記厚さｅ２が、前記ミラー（１１）が０．５ｎｍ以下のスペクトルバンド幅δωＤＢＲを有するように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学系。
7. 前記第１の屈折率ｎ１が３以上であり、前記第２の屈折率ｎ２が２以下であり、前記第３の屈折率ｎ３が１．５以上である、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学系。
8. 前記第１の材料がシリコンであり、前記第２の材料が酸化シリコンであり、前記第３の材料が窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルからとられる、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学系。
9. 前記光共振器が、５００μｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上、好ましくは３ｍｍ以上である前記第１の方向（ｘ）の長さＬｃを有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の光学系。
10. 前記第２のブラッグミラー（１２）が、９９％以上である反射率および２ｎｍ以上であるスペクトルバンド幅δωＤＢＲ２を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学系。
11. 前記第２のブラッグミラー（１２）が、前記リボン（１００）の前記第２の部分（１２０）の少なくとも１つの面と直接接触する前記第１の材料に基づく第２のコルゲーションを備え、前記第２のコルゲーションは５ｎｍ以上の高さｈ２を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学系。
12. レーザ検出および測距システムに実装されるように構成されるリモートセンシングレーザを形成する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学系。
13. － 第１の屈折率ｎ１を有する第１の材料に基づくリボン（１００）を準備するステップであって、前記リボン（１００）は第１の方向（ｘ）に主に延在し、前記第１の方向（ｘ）および前記第１の方向（ｘ）に垂直の第２の方向（ｙ）によって形成される主延在平面（ｘｙ）に延在する面（１１００）を有する、リボン（１００）を準備するステップと、
    － 前記リボンの前記面（１１００）の少なくとも第１の部分に、ｎ２＜ｎ１であるように第２の屈折率ｎ２を有する第２の材料に基づく分離層（１１１）を堆積させるステップであって、前記分離層（１１１）は前記第１および第２の方向（ｘ、ｙ）に垂直の第３の方向（ｚ）にとられる厚さｅ２を有する、分離層（１１１）を堆積させるステップと、
    － 前記分離層（１１１）に、ｎ２＜ｎ３であるように、第３の屈折率ｎ３を有する第３の材料に基づく擾乱層を堆積させるステップであって、前記擾乱層は前記第３の方向（ｚ）にとられる厚さｅ３を有する、擾乱層を堆積させるステップと、
    － 前記第２の方向（ｙ）に主に延在し、前記第３の方向（ｚ）に高さｈ３≦ｅ３を有するコルゲーション（１１２）を形成するために前記擾乱層をエッチングするステップであって、前記コルゲーション（１１２）は前記分離層（１１１）および前記リボン（１００）の前記第１の部分とともに第１のブラッグミラー（１１）を形成する、前記擾乱層をエッチングするステップと、
    － 前記リボン（１００）の第２の部分に第２のブラッグミラー（１２）を形成するステップと、
    － 前記第１および第２の部分間に位置する前記リボン（１００）の第３の部分に、第４の材料に基づく増幅媒体を転写するステップと
    を含む、光学系を製造するための方法。
14. 前記第２の材料に基づく封止層によって前記コルゲーション（１１２）を封止するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記エッチングが、前記コルゲーション（１１２）の前記高さｈ３が前記擾乱層の前記厚さｅ３に等しいように、前記分離層（１１１）と前記擾乱層との間の界面（１１１０）において停止される、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記コルゲーション（１１２）の前記高さｈ３が５ｎｍ以上および／または３０ｎｍ以下であり、前記分離層（１１１）の前記厚さｅ２が２０ｎｍ以上および／または５０ｎｍ以下である、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の方法。

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