JP2001085790A - 発光増幅素子 - Google Patents

発光増幅素子

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JP2001085790A JP26268099A JP26268099A JP2001085790A JP 2001085790 A JP2001085790 A JP 2001085790A JP 26268099 A JP26268099 A JP 26268099A JP 26268099 A JP26268099 A JP 26268099A JP 2001085790 A JP2001085790 A JP 2001085790A
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medium
waveguide
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ring laser
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Junichi Kinoshita
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 効率が高く製作も容易な高性能の光励起型の
面発光型の発光増幅素子を提供することを目的とする。 【解決手段】 光励起によって発光もしくは光増幅作用
をもつ媒質を２次以上の回折格子（holographicな構
造）を有するリング状のレーザ（リングレーザ）で囲
う。この回折格子（holographicな構造）を通して、リ
ングレーザの出力は放射モードとして取り出される。こ
れを、中心付近に配置された媒質の励起光として利用す
る。放射モードの大きい縦モードのしきい値を安定化す
るために、このリングレーザの周囲にさらにゲイン媒質
と反射構造を設けても良い。応用としてはＶＣＳＥＬの
横からの光励起がある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光増幅素子に関
する。さらに具体的には、本発明は、レーザ発振を含む
発光もしくは光増幅作用をもつ媒質と、その媒質を取り
囲み励起する励起構造とを有する面型の発光素子や面型
アンプなどの発光増幅素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の面型の発光素子及び光増幅素子
は、活性媒質に直接、電流を流すことにより励起してい
た。例えば、ｐｎ接合となるヘテロ接合に少数キャリア
（carrier）を注入する構造が良く知られている。
【０００３】図５は、従来の面型の発光素子の概略構成
を表す概念図である。すなわち、同図（ａ）はその平面
図であり、同図（ｂ）は中央付近の断面図である。図５
に表した素子は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料からな
るＶＣＳＥＬ（vertical cavity surface emitting las
er）であり、その構成を製造工程に従って説明すると以
下の如くである。
【０００４】まず、ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、ＩｎＡｌ
Ａｓ層／ＩｎＰ層の１／４波長厚の多層構造高反射ＤＢ
Ｒ（Distributed Bragg Reflector）２を成長する。次
に、ｎ型ＩｎＰからなるクラッド層３と、活性層４を成
長する。活性層４は、例えば、互いに組成の異なる２種
類のＩｎＧａＡｓＰ層をそれぞれウエル層とバリア層と
して交互に積層させた歪ＭＱＷ（multiple-quantum wel
l）構造とすることができる。次に、ｐ型ＩｎＰからな
るクラッド層５を成長し、続いてＩｎＡｌＡｓ層／Ｉｎ
Ｐ層の１／４波長厚の多層構造高反射ＤＢＲ６を成長す
る。
【０００５】しかる後に、上側のＤＢＲ６をエッチング
加工して円筒状のメサ１０とする。この円筒状メサ１０
の横から、上側ＤＢＲ６のうちのＩｎＡｌＡｓ層を選択
酸化し、選択酸化層１５に変成させる。この選択酸化層
１５は、活性層４に電流を狭窄するためのブロック層と
して機能する。また、選択酸化層１５は、ＤＢＲ６を構
成しているＩｎＡｌＡｓ層やＩｎＰ層よりも屈折率がか
なり小さいので、上側ＤＢＲ６の反射率を向上させるこ
とが可能である。
【０００６】ところが、選択酸化膜２０は絶縁体である
ので、円筒状メサ１０のすべてを選択酸化してしまう
と、活性層４に電流が流れなくなってしまう。したがっ
て、選択酸化の進行を、円筒状メサ１０の側面から適当
な距離で停止させなければならない。選択酸化層１５の
進行が不十分であると、電流狭窄領域の反射率が上がら
ず、発振の効率が悪い。一方、選択酸化の進行が過度で
あると、電流狭窄領域が狭くなりすぎ、素子抵抗が高く
なる。そもそも、微小な活性領域に通電すること自体、
電流密度が高く、温度が上昇しやすい点で実用上不利で
ある。
【０００７】また、円筒状メサ１０の上面には、通電の
ための電極２０を設ける必要があるが、その電極２０は
光を取り出すために透明なものとしなくてはいけない。
あるいは、光の取り出し口を残してリング状の電極とす
る必要がある。
【０００８】このように従来のＶＣＳＥＬは、特性上も
製作上も大きな問題を抱えている。一般に通電を必須と
する面型の発光増幅素子において、多かれ少なかれこの
ＶＣＳＥＬと同様の問題点を抱えている。
【０００９】本発明は、かかる課題を解決するためにな
されたものである。すなわち、その目的は、効率が高く
製作も容易な高性能の光励起型の面発光型の発光増幅素
子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明においては、光励
起によって発光もしくは光増幅作用をもつ媒質を２次以
上の回折格子（holographicな構造）を有するリング状
のレーザ（リングレーザ）で囲う。この回折格子（holo
graphicな構造）を通して、リングレーザの出力は放射
モードとして取り出される。これを、中心付近に配置さ
れた媒質の励起光として利用する。放射モードの大きい
縦モードのしきい値を安定化するために、このリングレ
ーザの周囲にさらにゲイン媒質と反射構造を設けても良
い。ＶＣＳＥＬの横からの光励起を応用のひとつとす
る。
【００１１】すなわち、本発明の発光増幅素子は、少な
くとも光励起によって発光もしくは増幅可能な媒質と、
所定の平面上において前記媒質を囲むように形成された
少なくとも一重の導波路と、を備え、前記導波路は、前
記導波路を導波される光の一部を前記媒質に向けて放出
するためのホログラフィック要素を有することを特徴と
する。
【００１２】ここで、前記ホログラフィック要素は、例
えば２次以上の回折格子であることを特徴とする。
【００１３】あるいは、前記媒質は、前記所定の平面に
対して略平行な一対の反射鏡に囲まれていることを特徴
とする。
【００１４】あるいは、前記媒質と前記一対の反射鏡と
は、ＶＣＳＥＬ構造を形成していることを特徴とする。
【００１５】あるいは、前記所定の平面上において、前
記媒質からみて前記導波路の外側に配置された、利得機
構をさらに備えたことを特徴とする。
【００１６】あるいは、前記所定の平面上において、前
記媒質からみて前記導波路の外側に配置された、位相調
整機構をさらに備えたことを特徴とする。
【００１７】あるいは、前記所定の平面上において、前
記媒質からみて前記導波路の外側に配置された、反射機
構をさらに備えたことを特徴とする。
【００１８】あるいは、前記導波路は、電流を流すこと
により利得が得られる活性層を含むことを特徴とする。
【００１９】あるいは、前記導波路は、レーザ発振する
リングレーザであることを特徴とする。
【００２０】あるいは、前記媒質は蛍光体を含み、前記
導波路は青色若しくは青色よりも短い波長帯において発
振するリングレーザであることを特徴とする。
【００２１】あるいは、前記媒質と前記導波路との間に
配置された、吸収率を制御できる第２の媒質をさらに備
え、前記媒質に入射する励起光の強度を変調可能とした
ことを特徴とする。
【００２２】あるいは、前記媒質、前記導波路及び前記
ホログラフィック要素がモノリシックに集積されている
ことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明のひとつのポイントは、微
小な面型発光増幅素子を光励起するために、その周囲に
通電によって効率良く発振するリング状のレーザを配置
することにある。このリングレーザからの出力として、
リング状導波路の側面に形成された高次の回折格子から
の放射モードを利用する点がユニークである。以下に、
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に
説明する。
【００２４】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態にかかる発光増幅素子を表す概念図であ
る。すなわち、同図（ａ）はその概略平面図であり、同
図（ｂ）はその中央付近の概略断面図である。
【００２５】同図において、符号１０で表した要素は、
少なくとも光励起によって発光もしくは増幅可能な媒質
に相当する。また、符号３０で表した要素は、所定の平
面上において前記媒質１０を囲むように形成された少な
くとも一重の導波路に相当する。この導波路３０は、前
記導波路を導波される光の一部を前記媒質１０に向けて
放出するためのホログラフィック要素１１を有する。具
体的には、ホログラフィック要素１１は、２次の回折格
子とすることができる。
【００２６】以下の説明では、ＢＨ（buried hetero：
埋め込みヘテロ）構造を形成しやすいＩｎＧａＡｓＰ／
ＩｎＰ系材料を用いたＶＣＳＥＬを具体例に挙げ、その
構成を製造手順に沿って説明する。
【００２７】まず、ｎ型ＩｎＰ基板１の上にＩｎＡｌＡ
ｓ層とＩｎＰ層を交互に積層させた多層構造の高反射下
側ＤＢＲ２を成長する。
【００２８】次に、ｎ型ＩｎＰ層３を成長し、さらに、
互いに組成が異なるＩｎＧａＡｓＰウエル層と、ＩｎＧ
ａＡｓＰバリア層とを積層させた歪ＭＱＷ活性層４を成
長する。
【００２９】次に、ＩｎＰ層５’を成長し、続いてＩｎ
ＡｌＡｓ層とＩｎＰ層とを交互に積層させた上側ＤＢＲ
６を成長する。これを直径５ミクロンの円筒状のメサ１
Ｏに加工する。具体的には、例えば、ドライエッチ法で
下側ＤＢＲ２の下端まで一気にエッチングし、さらにダ
メージ層を除くために面方位依存性の少ないウエット・
エッチャントでエッチング処理する。
【００３０】この後、メサ１０の上下のＤＢＲ２、６を
構成するＩｎＡｌＡｓ層を水蒸気酸化法で選択的に酸化
して屈折率の低い酸化膜に変えることができる。そうす
ると、上下のＤＢＲ２、６の反射率を十分に高くするこ
とができる。
【００３１】その後、励起用のリングレーザの活性層Ｍ
ＱＷ７とｐ型ＩｎＰ層５，ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト
層８を円筒メサ１０の周囲に選択成長する。さらに、側
面に２次の回折格子１１がパターニングされたリング状
レーザ３０を形成する。リング状レーザ３０は、円筒状
のメサ１０の周囲を取り囲むリング状のメサ導波路を有
する。
【００３２】この状態で、そのままハイメサ（high-mes
a）型のリングレーザ３０として、その上に電極を形成
しても良い。また、電極形成を容易にするために、図１
に例示したように、エッチングにより形成した溝を半絶
縁性ＩｎＰ層９で埋め込んでも良い。このように結晶で
埋め込めば、選択酸化されたＤＢＲによって機械的強度
が弱くなった垂直共振器１０を機械的に補強するという
効果も得られる。
【００３３】また、リングレーザ３０の外側に、リング
状のゲイン領域４０を設け、さらにその外壁に高反射多
層膜５０を形成する。高反射多層膜５０は、例えば、プ
ラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition）法を用
い、いわゆる「まわりこみ現象」を利用してゲイン領域
４０の側面に形成することが可能である。
【００３４】このような構成とすると、２次の回折格子
１１から放出される放射モード成分がゲイン領域４０に
より増幅され、高反射多層膜５０により反射されて戻っ
て来るため、効率が良くなる。また、大きな放射モード
を有する縦モードが増幅され、しきい値が下がって発振
しやすくなる。つまり、リングレーザ３０の発振安定効
果も得られる。
【００３５】リングレーザ３０と高反射多層膜５０との
間の距離は、放射モードの反射の位相が最も効率良くリ
ングレーザに戻るように予め調整することが望ましい。
但し、図１には示さなかったが、リングレーザ３０と高
反射多層膜５０との間に、放射モードの反射の位相を制
御するために屈折率を制御する機構を挿入すれば、その
位相を任意に制御することも可能である。
【００３６】光励起によって発光、発振、もしくは光増
幅を起こす垂直共振器部分としてのメサ１０の直径は５
ミクロン程度と微小にすることができる。従って、その
外側のリングレーザ３０の直径も、１０ミクロン以下と
することができる。この場合に、リングレーザ３０の長
さ（すなわち円周長）は、６０ミクロンの短共振器レー
ザの共振器長と同程度になる。したがって、しきい値を
低めに抑えることができる。
【００３７】また、リングレーザ３０の大きさは、垂直
共振器１０とは別個に設計できる。従って、用途や性能
に応じた融通がきく。微小な垂直共振器に対し、大きな
リングレーザ３０を何重にも配置して、極めて強く光励
起することも可能である。このとき、垂直共振器である
メサ１０には通電しないので、通常のＶＣＳＥＬのよう
な高い電流密度による温度上昇と劣化を避けることがで
きる。
【００３８】同時に、ＶＣＳＥＬに電流を流さないの
で、その活性層となるＭＱＷ構造を通常のものよりもは
るかに厚く形成することができる。その結果として、ゲ
インをはるかに高くすることができる。
【００３９】さらに、リングレーザ３０にも端面がない
構造なので、本質的に端面劣化の故障モードがない。ま
た、素子が面発光型であることも考えあわせるとなので
壁開の必要もなく、製造工程も簡単である。
【００４０】（第２の実施の形態）図２は、本発明の第
２の実施の形態にかかる発光増幅素子を表す概念図であ
る。すなわち、同図（ａ）はその概略平面図であり、同
図（ｂ）はその中央付近の概略断面図である。図２につ
いては、図１に関して前述した部分と同一の部分には同
一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４１】本実施形態においては、素子の中央部に垂
直共振器の代わりに蛍光体１００を含む透明媒質１０１
を配置し、その周囲に蛍光体１００を励起する波長にお
いて発振するリングレーザ１０２を設ける。このような
リングレーザ１０２としてはり、例えば、青色から紫外
で発振するＧａＮ系のレーザを用いることができる。さ
らに、リングレーザ１０２の外周には、その放出光に対
してゲイン作用を有するゲイン領域１０３がリング状に
設けられている。
【００４２】図２に例示した発光増幅素子においても、
リングレーザ１０２から放出された短波長の励起光は、
ゲイン領域１０３によって増幅され、高反射多層膜５０
により反射され、透明媒質１０１に入射して蛍光体１０
０を励起する。その結果としして、蛍光体１００から強
い２次光を得ることができる。本実施形態によれば、蛍
光体１００を含む透明媒質１０１を直径１００ミクロン
以上の大口径として、高出力かつ高輝度の発光素子を実
現できる。
【００４３】なお、蛍光体１００の励起波長とリングレ
ーサ１０２の発振波長との関係は、青色〜紫外の領域に
限定される必要はなく、その他、極紫外線領域または、
可視領域〜赤外領域のいずれの波長帯であっても良い。
【００４４】（第３の実施の形態）図３は、本発明の第
３の実施の形態にかかる発光増幅素子を表す概念図であ
る。すなわち、同図（ａ）はその概略平面図であり、同
図（ｂ）はその中央付近の概略断面図である。図２につ
いては、図１に関して前述した部分と同一の部分には同
一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４５】本実施形態の発光増幅素子においては、リ
ングレーザ３０と垂直共振器としてのメサ１０との間
に、リングレーザ３０からの出力の吸収率が制御可能な
要素６０を配した。このような要素６０の具体例として
は、例えば、その組成を最適設計したＩｎＧａＡｓＰか
らなるＭＱＷ構造を挙げることができる。このようなＭ
ＱＷ構造６０をｐ型半導体層とｎ型半導体層とで挟み、
ｐｎ接合に対して逆方向バイアスを印加すると、吸収端
がシフトして吸収が増大する電界吸収型光変調器として
作用する。
【００４６】図３に例示した素子においては、リングレ
ーザ３０は常にＯＮ状態とし、このＭＱＷ変調器６０を
高速変調することで、垂直共振器としてのメサ１０、つ
まり、ＶＣＳＥＬへの励起光をスイッチングすることが
できる。その結果として、ＶＣＳＥＬの光出力を極めて
高速且つ安定して変調することが可能となる。
【００４７】以上具体例を参照しつつ、本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。
【００４８】例えば、図１〜図３においては、素子の中
央部にメサ１０を配置し、その周囲を円形に取り囲むリ
ングレーザ３０を設けたが、リングレーザ３０の平面形
状は必ずしも円形に限定されるものではない。
【００４９】図４は、本発明における「媒質」すなわち
メサＭと、「導波路」すなわちリングレーザＲの形状の
平面関係を例示した概念図である。すなわち、同図
（ａ）の例においては、メサＭとリングレーザＲは、そ
れぞれ四角形状に形成されている。また、同図（ｂ）の
例においては、メサＭは円筒状に形成され、リングレー
ザＲは六角形状に形成されている。さらに、同図（ｃ）
の例においては、リングレーザＲは楕円状に形成され、
メサＭ１とＭ２がリングレーザＲの楕円の２つの焦点に
それぞれ配置されている。図４に例示した以外にもあら
ゆる組み合わせが可能である。すなわち、本発明におい
ては、メサ状の被励起要素の周囲をレーザが取り囲み、
被励起要素を励起できるようにすれば良い。また、リン
グレーザの周囲を取り囲むゲイン領域４０、１０３につ
いても同様であり、その形状は、必ずしも円形状に限定
される訳ではない。
【００５０】一方、本発明の発光増幅素子において用い
ることができる材料としては、上述したものの他にも、
例えば、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｌＰ／
ＧａＡｓ系などの各種の材料系を挙げることができる。
【００５１】また、ＶＣＳＥＬの部分を、Ｅｒ（エルビ
ウム）やＰｒ（プラセオジウム）をドープした石英によ
り構成し、１４８０ｎｍ帯や９８０ｎｍ帯のリングレー
ザで励起する面型の光アンプとしても良い。
【００５２】また、本発明の素子の周囲に集光のための
光学系を配したり、光増幅した信号を検出するための受
光素子やリングレーザを駆動するための駆動回路などを
モノリシック（monolithic）に集積しても良い。つま
り、本発明を１要素としてその周辺に種々の光学的ある
いは電気的要素を組み合わせた場合にも、発展形として
本発明は同様に適用可能である。
【００５３】
【発明の効果】本発明によれば、光励起が可能な微小な
発光増幅素子を効率よく励起することができる。特に、
ＶＣＳＥＬ等に対して適用した場合には、電流励起は比
較的体積が大きい励起用のリングレーザに限定し、ＶＣ
ＳＥＬには電流を流す必要がない。したがって、電極と
光取出しのトレード・オフに悩む必要がなく、製造も容
易となる。
【００５４】また、ＶＣＳＥＬに電流を流さないのでＶ
ＣＳＥＬ自体の発熱を抑えられる。その結果として、素
子の温度特性が向上し、信頼性も桁違いに改善される。
同時に、ＶＣＳＥＬに電流を流さないので、その活性層
となるＭＱＷ構造を通常のものよりもはるかに厚く形成
することができる。その結果として、ゲインをはるかに
高くすることができる。
【００５５】また、本発明の素子は平面的な配置を有す
るので、他の電気的、光学的な素子とのモノリシックな
集積化にも向いている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる発光増幅素
子を表す概念図である。すなわち、同図（ａ）はその概
略平面図であり、同図（ｂ）はその中央付近の概略断面
図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態にかかる発光増幅素
子を表す概念図である。すなわち、同図（ａ）はその概
略平面図であり、同図（ｂ）はその中央付近の概略断面
図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態にかかる発光増幅素
子を表す概念図である。すなわち、同図（ａ）はその概
略平面図であり、同図（ｂ）はその中央付近の概略断面
図である。
【図４】本発明におけるメサＭとリングレーザＲの形状
の平面関係を例示した概念図である。
【図５】従来の面型の発光素子の概略構成を表す概念図
である。すなわち、同図（ａ）はその平面図であり、同
図（ｂ）は中央付近の断面図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＩｎＰ基板 ２ 下側ＤＢＲ ３ ｎ型ＩｎＰ ４ ＭＱＷ活性層（ＶＣＳＥＬ） ５ Ｐ型ＩｎＰ ５’ＩｎＰ ６ 上側ＤＢＲ ７ ＭＱＷ活性層（リングレーザ、ゲイン領域） ８ ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ９ 半絶縁性ＩｎＰ埋込層 １０ ＶＣＳＥＬ（円筒メサ） １１ ２次の回折格子 １５ 選択酸化領域 ２０ ｐ電極（含む透明電極） ２１ ｎ電極 ３０ リングレーザ ４０ ゲイン領域 ５０ 高反射多層膜 ６０ 電界吸収型変調器 １００ 蛍光体 １０１ １００を含む透明媒質 １０２ 青色から紫外で発振するリングレーザ １０３ 青色から紫外の増幅領域

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも光励起によって発光もしくは増
    幅可能な媒質と、 所定の平面上において前記媒質を囲むように形成された
    少なくとも一重の導波路と、 を備え、 前記導波路は、前記導波路を導波される光の一部を前記
    媒質に向けて放出するためのホログラフィック要素を有
    することを特徴とする発光増幅素子。
  2. 【請求項２】前記ホログラフィック要素は、２次以上の
    回折格子であることを特徴とする請求項１記載の発光増
    幅素子。
  3. 【請求項３】前記媒質は、前記所定の平面に対して略平
    行な一対の反射鏡に囲まれていることを特徴とする請求
    項１または２に記載の発光増幅素子。
  4. 【請求項４】前記媒質と前記一対の反射鏡とは、ＶＣＳ
    ＥＬ構造を形成していることを特徴とする請求項３記載
    の発光増幅素子。
  5. 【請求項５】前記所定の平面上において、前記媒質から
    みて前記導波路の外側に配置された、利得機構をさらに
    備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに
    記載の発光増幅素子。
  6. 【請求項６】前記所定の平面上において、前記媒質から
    みて前記導波路の外側に配置された、位相調整機構をさ
    らに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１
    つに記載の発光増幅素子。
  7. 【請求項７】前記所定の平面上において、前記媒質から
    みて前記導波路の外側に配置された、反射機構をさらに
    備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに
    記載の発光増幅素子。
  8. 【請求項８】前記導波路は、電流を流すことにより利得
    が得られる活性層を含むことを特徴とする請求項１〜７
    のいずれか１つに記載の発光増幅素子。
  9. 【請求項９】前記導波路は、レーザ発振するリングレー
    ザであることを特徴とする請求項８記載の発光増幅素
    子。
  10. 【請求項１０】前記媒質は蛍光体を含み、前記導波路は
    青色若しくは青色よりも短い波長帯において発振するリ
    ングレーザであることを特徴とする請求項９記載の発光
    増幅素子。
  11. 【請求項１１】前記媒質と前記導波路との間に配置され
    た、吸収率を制御できる第２の媒質をさらに備え、前記
    媒質に入射する励起光の強度を変調可能としたことを特
    徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の発光増
    幅素子。
  12. 【請求項１２】前記媒質、前記導波路及び前記ホログラ
    フィック要素がモノリシックに集積されていることを特
    徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の発光増
    幅素子。
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