JP2001159766A

JP2001159766A - パラメータ発振レーザ

Info

Publication number: JP2001159766A
Application number: JP2000302012A
Authority: JP
Inventors: Vincent Berger; ベルジェヴァンサン
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1999-10-01
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2001-06-12
Also published as: FR2799314B1; DE60000851T2; DE60000851D1; US6631151B1; EP1089405B1; EP1089405A1; FR2799314A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】パラメトリック発振における位相整合条件を
最適化する。【解決手段】この半導体レーザは、光学的に非線形な材
料の少なくとも２つの層と、光学的に非線形な材料の前
記層の１つの中に少なくとも配置された量子井戸とを含
む。これら２つの層によって構成された導波路が、量子
井戸によって放出された励起波と、パラメトリック変換
波との間のパラメトリック蛍光の方法についてモード位
相整合条件を有するような、これら２つの層の厚さ及び
光屈折率である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パラメータ発振レ
ーザに関し、特に、励起波(pump wave)ω_１からのパラ
メータ発振に用いられる半導体レーザに関する。

【０００２】パラメータ蛍光(parametrical fluorescen
ce)は、実際に、非線形光材として周知である。この現
象は、非線形材料と称されるものの中で、（周波数ω_２
及びω_３の信号及びアイドラビーム(idler beam)として
公知の）２つのビームの（周波数ω_１の）励起ビームと
して公知のビームから発生する。エネルギ変換の原理
は、ω_２＋ω_３＝ω_１を意味する。１つか２つの発振周
波数共振の空洞内に非線形材料を置くことによって、光
パラメータ発振器（ＯＰＯ）を得ることができる。ＯＰ
Ｏは、かなり普及し、レーザ（例えば赤外線域又は可視
域）によって十分にカバーされない周波数で、光調整コ
ヒーレント源として用いられる。ＯＰＯの問題は、広い
空間の必要性と複雑さとにある。これは、システム全体
が、励起レーザと非線形水晶と空洞ミラーとを含むため
である。

【０００３】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】パラメ
ータ発振を得ることの難しさは、位相整合に関する当業
者によれば公知のものである。波長に対する光屈折率の
散乱に起因して、異なる干渉波（ω_１、ω_２及びω_３）
は、材料内を同一速度で移動しない。この結果、非線形
干渉は非常に破壊的となり、その方法はその効率を低下
させる。効率的なパラメータ発振を得るために、伝播全
体にわたって構造的干渉(constructive interaction)を
維持する位相整合を得ることが必要となる。モーメント
の保護としても解され得るこの位相整合は、周波数ω_１
の光屈折率ｎ_１の間の関係式として書くことができる。

【０００４】ｎ_２ω_２＋ｎ_３ω_３＝ｎ_１ω_１（１）

【０００５】これまでに作られたＯＰＯは、この不可欠
な関係式に適合するために、種々の技術が用いられる。
例えば、複屈折材料を用いる位相整合又は再準位相整合
(again quasi-phase matching)が２つの最も共通に用い
られる技術である。関係式（１）を最後に確認する導波
路の内側に存在する種々のモードの散乱関係式を用いる
ことからなる。発明者らが導波路の基本モードのみを検
討するならば、これは不可能である。それゆえ、異なる
波に対して異なる次数のモードを用いることが必要とな
る。モード位相整合のこの方法は、本発明のフレームワ
ークで用いられるものである。本発明は、例えば、信号
及びアイドラ波に対する基本モードであるが、励起波に
対する二次モードを用いる。この方法に対して、パラメ
ータ発振の効率が以下の積分と比例するように表され
る。

【０００６】 ∫∫dxdyχ^（２）（ｘ，ｙ）Ｅ^２＊ _ω１Ｅ^１ _ω２Ｅ^１ _ω３（ｘ，ｙ）（２）

【０００７】この積分は、導波路（断面）に対して垂直
な面で得られ、Ｅ¹ _ω1は、ｉ次モードに対する周波数ω
_１の電界を示す。これは、発明者ら種々の次数のモード
を考慮すると、この積分の非無効(non-nullity)を防ぐ
ために主な課題である。実際に、種々の次数のモードの
間で直交する関係式は、原則的に積分を除く。

【０００８】 ∫∫dxdyＥ^２ _ω１Ｅ^１ _ω１（３）

【０００９】周波数ω_１及びω_２の基本モードＥ¹ _ω1及
びＥ² _ω2は、通常の導波路において準同一(quasi-ident
ical)であるために、積分（２）は常に小さい。これ
は、このモード位相整合方法の使用を今まで限定してき
た。本発明によれば、導波路が大きな積分（２）を有す
るように、デバイスは正確に設計される。ここで最後
に、効率的となる導波路のパラメータ発振に対して、関
係式（１）（位相整合）が確認されるべきであり、重積
分（２）は最適化されるべきである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】それゆえ、本発明は、レ
ーザ波がパラメータ発振用の励起源として用いられるレ
ーザ構造に関し、このレーザ構造は、これら２つの条件
を確認するように設計される。

【００１１】本発明は光学的に非線形な材料の少なくと
も２つの層と、光学的に非線形な材料の層の１つの中に
少なくとも配置された量子井戸とを含み、これら２つの
層によって構成された導波路が、量子井戸によって放出
された励起波と、パラメータ変換波との間のパラメータ
蛍光の方法についてモード位相整合条件を有するよう
な、これら２つの層の厚さ及び光屈折率である半導体レ
ーザに関する。

【００１２】本発明の種々の目的及び特徴が、例として
記載した以下の説明及び添付図面から、より明確に表さ
れる。

【００１３】

【発明の実施の形態】従って、本発明は、デポジットさ
れた半導体層が以下のようになされた半導体レーザ構造
である。１）モードの散乱の関係が、パラメータ発振方法に対し
てモード位相整合関係を確認するレーザの導波路内に伝
播されている。２）重積分（２）が最適化されている。

【００１４】図１ａ及び図１ｂは、本発明によるレーザ
の例となる実施形態を表している。

【００１５】このレーザは、主に、非線形材料からなる
少なくとも２つの層２及び３を含む半導体材料のスタッ
クと、量子井戸５のスタックとを含む。２つの層２及び
３は、２つの閉込め層(confinement layer)１及び４の
間に把持される。量子井戸５のこのスタックは、低い屈
折率を有する非線形材料の層内に置かれる。通常、非線
形材料の２つの層があれば、量子井戸は高い屈折率を有
する層の中には無いのが好ましい。

【００１６】波長ω_１の二次モードと、波長ω_２及びω
_３の基本モードとが前述の関係式（１）及び（２）を満
たすような、非線形材料からなる層２及び３の厚さ及び
屈折率になされる。

【００１７】従って、非線形材料の層の厚さは、それら
屈折率の関数として選択される。従って、量子井戸によ
って送信された励起波とパラメータ変換から来る波との
間で、パラメータ蛍光方法に対するモード位相整合があ
るようになる。

【００１８】励起モード（ω_１）は、導波路の基本モー
ドに置かれるべきでないことにも注目しなければならな
い。

【００１９】図１ａ及び図１ｂに示された材料のみに制
限するものではない。

【００２０】従って、本発明によって作られた半導体レ
ーザは、本質的に、３つの周波数を同時に送信する。そ
れは、基準量子井戸レーザの放出と全体的に同じ方法で
量子井戸の誘導放出に起因するレーザ周波数ω_１と、こ
の非線形方法に対して励起波として用いられる、該レー
ザ波ω_１のパラメータ発生に起因する信号波及びアイド
ラ波である周波数ω_２及びω_３とである。低動作電力
で、パラメータ蛍光スペクトルが（連続的に）広く、高
い電力でデバイスが光パラメータ発振器のように動作
し、そのスペクトルは、２つの高精度周波数ω_２及びω
_３からなる。光パラメータ発振のスレッショルドの下
で、そのパラメータ蛍光に対する簡単な方法で、デバイ
スを用いることもできる。これは、例えば量子暗号（図
２ｂ参照）として用いられる双光子(twin photons)の源
である。

【００２１】供給電流の作用によるデバイスのスペクト
ル放出が、図２に概略的に示されている。図３の供給電
流の作用として、３つの周波数ω_１、ω_２及びω_３に対
する放出電力値が概略的に与えられる。デバイスは、２
つのスレッショルドを有する。それは、（周波数ω１の
波に対する）適切なレーザスレッショルドと、（信号及
びアイドラ波に対する）スレッショルドＯＰＯとであ
る。

【００２２】従って、本発明の目的は、１つの半導体デ
バイスの内側に、励起レーザ源と非線形媒体と空洞とを
置くことからなる。それゆえ、これら半導体レーザと他
のレーザとを比較して、全体が小型になり、デバイスが
簡単な構成になり、製造コストが安価になるという効果
がある。

【００２３】本発明のより詳細な説明を、以下に記載す
る。

【００２４】モード位相整合条件（１）：

【００２５】位相整合条件（１）は、レーザに対する二
次モードと、パラメータ蛍光に対する２つの基本モード
との間で得られる。これは、図４に概略的に説明されて
おり、デバイスの導波路の散乱の関係を表す。この散乱
グラフは、（二次ＴＥモードの）周波数ω_１と、（基本
ＴＭ又はＴＥモード）周波数ω_２及びω_３とに点を置
く。位相整合条件（１）は、この図の中で簡単にグラフ
で表されている。開始点及び最低周波数の点が交わるベ
クトルが、他の２つの周波数に交わるベクトルと正確に
等しいならば（図４参照）、位相整合条件が達成され
る。

【００２６】導波路の二次モードで発生するレーザ移動
を得ることは、全く自然の事ではない。位相整合条件に
対して必要不可欠であるというこれを得るためには、２
つの解決策がある。二次モードは、基本モードの上で効
果があるようにしなければならない。それゆえ、二次モ
ードに対する利得か又は基本モードに対する損失を増加
することが可能となる。

【００２７】第１の解決策：二次モードに対する利得の
増加

【００２８】放出源の量子井戸は、二次モードの２つの
膨らみに置かれる。これは、放出源と導路の二次モード
との間の重積分を増加し、基本モードに対する二次モー
ドの利得を増加する。

【００２９】第２の解決策：基本モードに対する損失の
増加

【００３０】例えばこのモードの膨らみで高いドーピン
グを用いて、損失が、基本モードの膨らみに導入され
る。しかしながら、このアプローチは、最初のアプロー
チよりも効果が小さい。なぜなら、レーザへ損失を加え
るという効果が全く無いからである。

【００３１】重積分（２）の最適化：

【００３２】積分（２）の最適化のための種々の手段
を、ここで詳細に説明する。

【００３３】第１のアプローチ：非対称導波路の製造

【００３４】第１のアプローチは、構造内の一定の非線
形係数を維持する一方で、非零電界(non-zero fields)
の高積分をするように導波路の構造を設計することから
なる。このために、非対称導波路を設計する必要があ
る。屈折構造の非対称性は、積分（２）を増加するため
に最適化されなければならない。この種の例の最適化構
造が、図５に表されている。このような構造の設計のた
め、導波路に、ω_１の基本モードがω_２及びω_３の基本
モードと異なる場所に空間的に置かれるようにする。

【００３５】従って、同一周波数ω_１の電界だけがその
中に配置されると（（３）に与えられたモードの間の直
交関係のために）小さくなる積分（２）は、周波数の混
在で計算されたときに非零となる。それは、ω_１及びω
_２の基本モードが空間的に非常に異なるためである。

【００３６】第２の解決策：導波路の厚さの非線形係数
の変化

【００３７】積分（２）を最適化するための他の解決策
は、例えばその符号の変更のように、導波路内で一定で
ないχ^（２）関数を有することからなる。積分は、図６
に説明されたように重要である。χ^（２）の符号の変化
を得るために用いられる種々の方法が、以下に示され
る。

【００３８】１）１つの方法は、一方向に向けられ、成
長中に他方向に向けられる非対称量子井戸を用いる。高
い非線形係数が量子井戸によって与えれることは公知で
ある。量子井戸の向きを変更することによって、χ
^（２）の符号が変更され、所望の結果を得る。これら非
対称量子井戸もまた、レーザに対して送信源量子井戸で
ある。この場合、塊状材料の非線形係数は、存在しても
用いられない（又は、積分（２）に対してわずかに貢献
する）。

【００３９】２）塊状材料ＧａＡｓ自身のχ^（２）が用
いられる。レーザを得るために必要とされる量子井戸
は、対称であり、非線形係数χ^（２）に貢献しない。非
線形係数の符号の反転は、当業者によれば公知である覆
される基板接着(overturned substrate bonding)技術に
よって得られる。異なる方向（χ^（２），−χ^（２））
を有するこれら基板接着技術は、準位相整合を有する材
料を作るために実際に用いられるＢｅｎを有する。ここ
で、それは、２つの逆結晶方向に直面して接着された、
他の２つのレーザ基板の半分である。

【００４０】基板の接着は、細心の注意を要する段階で
ある。なぜなら、最後に、レーザ波導路構造は、最初の
接着の後で、最近ナノメータに一定の厚みと共に得られ
なければならない。そして、他方で、レーザの高効率を
維持する高い電気特性を有する必要もある。この技術
は、図６に概略的に示されている。

【００４１】図１は、本発明の好ましい実施形態を表
す。このような構造の例となる実施形態が、以下に記載
される。

【００４２】構造は、以下のようであってもよい。

【００４３】ｎ型にドープされたＧａＡｓ基板及びバッファｎ型にドープされたＡｌＡｓ厚さ７００ｎｍＧａＡｓ厚さ２５０ｎｍＡｌＧａＡｓ７０％厚さ２５０ｎｍ（この層は、９２０ｎｍで放出するＩｎＧａＡｓからなる４つの量子井戸を含む。これら井戸の特性は、当業者によれば公知である）ｐ型にドープされたＡｌＡｓ厚さ７００ｎｍ

【００４４】図８は、デバイスの導波路における光子の
エネルギの作用に対するモード屈折率を表す。これらの
シミュレーションは、文献の中の公知のデバイスを形成
する材料の屈折率の値からなされる。

【００４５】１．３４ｅＶのエネルギに対して、二次Ｔ
Ｅモードの屈折率は、基本ＴＥモードの半分（０．６７
ｅＶ）となるエネルギ光子の屈折率と等しいことが理解
できる。それゆえ、以下の方法に対して位相整合があ
る。

【００４６】１光子（１．３４ｅＶ）⇒２光子（０．６７ｅＶ）

【００４７】これは、縮重性(degenerescence)として公
知の、２つの信号及びアイドラ波が同じとなる、パラメ
ータ蛍光の特別な場合である。この縮重性の周りで、多
くの他の位相整合方法が可能となる。それらは図９に概
略的に示されており、Ｘ軸上の励起波から発生した、起
こりえる信号及びアイドラ波長を示す。量子井戸が波長
９２０ｎｍで放出するならば、半導体レーザ（（９２０
ｎｍの）励起波）がそれぞれ１．７μｍ及び２μｍの２
つの波を発生するということが理解できる。

【００４８】図８は、二次ＴＥモード及び一次ＴＭモー
ドを表す。この図は、ＡｌＧａＡｓの７０％の部分に細
心の注意の下にＩｎＧａＡｓを置くことによって、ウェ
ルは、二次モードで高次重複(high overlapping)とな
る。この結果、半導体レーザは、二次のレーザ発振をす
る。これは、本発明によるデバイスの作用に主に重要で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１ａ】本発明によるレーザの構造に対するモードの
電界及び反射屈折率の図である。

【図１ｂ】本発明によるレーザの構造図である。

【図２ａ】低電流における、周波数に対するスペクトル
放出のグラフである。

【図２ｂ】中間電流における、周波数に対するスペクト
ル放出のグラフである。

【図２ｃ】高電流における、周波数に対するスペクトル
放出のグラフである。

【図３】周波数ω_１、ω_２及びω_３について、供給電流
に対する放出電力値のグラフである。

【図４】周波数に対する導波路の散乱の関係を表す。

【図５】屈折構造の非対称性における最適化構造であ
る。

【図６】χ^（２）の符号の変化を得るために用いられ
る、本発明のレーザの作用を説明する種々のグラフであ
る。

【図７ａ】本発明によるレーザの他の実施形態の構成図
である。

【図７ｂ】本発明によるレーザの他の実施形態の構成図
である。

【図７ｃ】本発明によるレーザの他の実施形態の構成図
である。

【図８】レーザの向きのポイントを決定するための、励
起エネルギに対するモードの屈折率のグラフである。

【図９】レーザの向きのポイントを決定するための、励
起波の波長に対する信号及びアイドラ波の波長のグラフ
である。

【符号の説明】

１、４ＡｌＡｓ、閉込め層２ＧａＡｓ、非線形材料３ＡｌＧａＡｓ、非線形材料５ＩｎＧａＡｓ、量子井戸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学的に非線形な材料の少なくとも２つ
の層と、光学的に非線形な材料の前記層の１つの中に少
なくとも配置された量子井戸とを含み、これら２つの層
によって構成された導波路が、前記量子井戸によって放
出された励起波と、パラメータ変換波との間のパラメー
タ蛍光の方法についてモード位相整合条件を有するよう
な、これら２つの層の厚さ及び光屈折率であることを特
徴とする半導体レーザ。
【請求項２】前記励起モード（ω_１）が、前記路の基
本モードで配置されないことを特徴とする請求項１に記
載のレーザ。
【請求項３】前記量子井戸は、高い光屈折率を有する
レーザ内に配置されないことを特徴とする請求項２に記
載のレーザ。
【請求項４】光学的に非線形な材料の２つ以上の層を
含むことを特徴とする請求項３に記載のレーザ。