JP2004207724A - ヴァーティカルエミッション型半導体レーザー - Google Patents

Abstract

【課題】僅かな損失のみで効率の良いポンピングメカニズムを行えるレーザーを提供する。
【解決手段】ポンピング光の吸収が主として量子井戸内で行われるようにポンピング光の波長λ_Ｐおよび入射角α_Ｐが選定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体ボディと少なくとも１つのポンピング光源とを有しており、半導体ボディ内に活性ゾーンとしての量子井戸構造部が存在しており、この量子井戸構造部は複数の量子井戸とその間に位置する複数のバリア層とを含んでおり、ポンピング光源は波長λ_Ｐおよび入射角α_Ｐでポンピング光を活性ゾーンへ入射させる外部共振器を備えたヴァーティカルエミッション型半導体レーザーに関する。

この出願は独国特許出願第１０２６０１８３．６−３３号明細書に関連しており、当該の明細書の内容は本発明にも組み込まれている。

外部共振器を備えたヴァーティカルエミッション型半導体レーザーは面発光型レーザーまたはＶＥＣＳＥＬ（Vertical External Cavity Surface Emitting LASER）として周知であり、高出力かつ高光品質のレーザーの新たなコンセプトとなっている。この種の半導体レーザーは米国特許第６２３７２９３号明細書、国際公開第００／２５３９８号明細書、米国特許第５９９１３１８号明細書に記載されている。

ＶＥＣＳＥＬは主要エレメントとして半導体ボディを有しており、この半導体ボディはリフレクタおよび活性ゾーンとしての量子井戸構造部を含む。半導体ボディとはここでは主として半導体層から成り、その表面に有利には鏡面化または非鏡面化に用いられる誘電体層または金属層を含むものを言う。リフレクタは有利にはエピタキシによって製造されたＤＢＲミラー（Distributed Bragg Reflection Mirror）であり、そこに量子井戸構造部が存在している。この量子井戸構造部は周期的に配置された量子井戸とそのあいだに配置されたバリア層との１組またはそのグループを有する。さらにＶＥＣＳＥＬは半導体ボディのリフレクタとともに共振器を形成する外部鏡を有している。

ＶＥＣＳＥＬの特徴は半導体ボディの外部の光源、例えばダイオードレーザーによる光ポンピングプロセスである。これまでに公知の刊行物では、ポンピング光の吸収は量子井戸のあいだに存在するバリア層で行われている。バリア層ではポンピング光の吸収により量子井戸へリラクゼーションされる電荷担体が形成される。

こうしたタイプのポンピングプロセスの欠点はきわめて大きな損失が生じることである。まず、ポンピング光によって解放された電荷担体の全てが量子井戸にトラップされるわけではないということが挙げられる。つまり入力効率は１より小さい。また電荷担体はエネルギの高いほうの励起状態からエネルギの低い量子井戸のレベルへリラクゼーションする。エネルギの高いポンピング波長からレーザー波長へのポンピングは量子欠損と称されるエネルギ損失となり、これは熱を生じる。この熱は結晶格子へ放出され、素子が加熱される。したがってこの場合には最大出力が許容可能な最大熱負荷によって制限されてしまう。

さらに別の周知のＶＥＣＳＥＬの欠点は、ポンピング光の唯一の経路が活性層を通っているということである。したがって量子井戸に対する吸収の度合が小さく、ＶＥＣＳＥＬを効率良く駆動するには量子井戸の多数設けられた構造を用意しなければならない。ただしこうすると層数ひいては界面数が増えるため、吸収損失のほか、ポンピング閾値が高くなったり効率が小さくなったり、さらには量子井戸でのポンピングが不均一になったりするという問題が発生する。
独国特許出願第１０２６０１８３．６−３３号明細書 米国特許第６２３７２９３号明細書 国際公開第００／２５３９８号明細書 米国特許第５９９１３１８号明細書

本発明の課題は、僅かな損失のみで効率の良いポンピングメカニズムを行えるレーザーを提供することである。

この課題は、半導体ボディと少なくとも１つのポンピング光源とを有しており、半導体ボディ内に活性ゾーンとしての量子井戸構造部が存在しており、この量子井戸構造部は複数の量子井戸とその間に位置する複数のバリア層とを含んでおり、ポンピング光源は波長λ_Ｐおよび入射角α_Ｐでポンピング光を活性ゾーンへ入射させる外部共振器を備えたヴァーティカルエミッション型半導体レーザーにおいて、ポンピング光の波長λ_Ｐおよび入射角α_Ｐは当該のポンピング光の吸収が主として量子井戸内で行われるように選定されている構成により解決される。

本発明の有利な実施形態および実施態様は従属請求項の対象となっている。

波長と入射角との適切な組み合わせは、例えば、量子井戸構造部を含む半導体ボディの吸収スペクトルを種々の入射角に対して複数回の反射および干渉を考慮しながら計算することにより見出される。半導体ボディのパラメータ、特に周期性や層厚さおよび組成に依存して、吸収スペクトルは所定の入射角においてバリア層の吸収エッジよりも大きな波長に存在する量子井戸について１つまたは複数の吸収線を有する。有利には吸収線が最も強くなる入射角とそのうち最も強い波長とが選択される。これによりポンピング光の吸収は主として量子井戸において生じる。量子井戸での光ポンピングにより、バリア層の既知のポンピングプロセスでバリア層から量子井戸内への電荷担体のトラップ時に生じていた損失が回避される。

有利には、本発明の半導体レーザーは量子井戸構造部のうちポンピング光源とは反対の側にポンピング光を反射する後面リフレクタを有する。これによりが活性層をポンピング光が複数回通過する経路が得られ、ポンピング光の吸収が効率の点でも均一性の点でも改善される。

ポンピング光に対するリフレクタは、クロム、白金、金などを含む金属層、誘電体層、またはエピタキシャル成長により製造された半導体層などから成る１つまたは複数の層の列から形成される。

特に後面リフレクタはレーザー光もポンピング光も反射できる充分に広い帯域幅を有するリフレクタである。これは例えばブラッグリフレクタである。また特に本発明の量子井戸での光ポンピングは、レーザー光の波長とポンピング光の波長との差が従来のバリア層内で吸収を行うかたちのポンピングプロセスに比べて低減されているので有利である。

本発明の有利な実施形態では、半導体ボディは上下に重ねられた２つのリフレクタを有しており、そのうち一方はレーザー光の反射に用いられ、他方はポンピング光の反射に用いられる。

有利には、ポンピング光に対するリフレクタと活性ゾーンとのあいだに中間層が挿入されている。ポンピング光の反射とレーザー光の反射とに対してそれぞれ異なる鏡を用いる実施例では２つの鏡のあいだに中間層を配置してもよい。

１つまたは複数の中間層の組成および厚さを選択することにより、ポンピング光の定在波のフィールドが変更される。ポンピング光の吸収は電場の腹の位置で強められるので、ポンピング光の吸収の位置を制御することができる。特にポンピング光の波長および入射角を適切に組み合わせることにより、電場の腹を活性ゾーン内の量子井戸の位置に一致させ、量子井戸での吸収を強めることができる。

本発明の有利な実施形態では、付加的な層を半導体ボディのうちポンピング光源に向かう側に被着することにより、特に表面の鏡面化または非鏡面化を達成することができる。

反射率の高い層の列、特に１つまたは複数の誘電体層、金属層、エピタキシャル成長で製造された半導体層を組み合わせて被着することにより、半導体ボディ内部で発生したポンピング光の反射を強めることができる。また後面リフレクタとの組み合わせにより活性ゾーンを通過するポンピング光の複数回の経路が得られる。

本発明の有利な実施形態では、被着された層の列により表面がレーザー光の波長に対して非鏡面化される。これは特に層列の表面および外部鏡によって形成される共振器のためにレーザーが不安定となるとき有効である。

本発明の特に有利な実施形態では、層列はそれぞれポンピング光とレーザー光とに対して異なる反射率を有する。これは付加的に被着される層の層厚さおよび組成を適切に選択することにより達成される。レーザー光については、共振器の安定化のために非鏡面化を行うと有利である。ポンピング光については、半導体ボディが外部から到来するポンピング光に対して小さな反射率を有するようにし、外部からのポンピング光が半導体ボディ内へ良好に入力結合できるようにする。また上方の層列を通ってポンピング光が半導体ボディ内で複数回反射するようにし、量子井戸における吸収を強めることができる。

ポンピング光の波長および入射角は、有利には、半導体ボディ内部に定在波が発生し、量子井戸がポンピング光の電場の腹に来るように設定される。これにより量子井戸に置ける共振吸収が得られる。

本発明の有利な実施形態では、ポンピング光に対するリフレクタおよび少なくとも部分的に反射性の半導体ボディ表面から成る共振器を利用している。表面の部分的な鏡面化は半導体ボディの最上層と周囲空気とのあいだの屈折率の差によって得られる。特に有利には、ポンピング光はポンピング光に対するリフレクタおよび半導体ボディの部分的に鏡面化された表面から成る共振器の縦波モードの共振条件を満足する。このようにすれば量子井戸における吸収が共振的に強められる。ポンピング光の共振条件を満足するためには、入射角と波長との適切な組み合わせを見出さなければならない。この場合、有利な実施形態としてポンピング光に対するリフレクタと量子井戸構造部とのあいだに設けられる中間層の層厚さおよび組成を変更して共振器の長さを変化させ、共振条件を満足させることもできる。

本発明の別の有利な実施形態では、ポンピング光のエネルギは、光ポンピングされる量子井戸の状態と上方または下方のレーザーレベルとのあいだのエネルギ差が量子井戸の材料に典型的なＬＯ光子エネルギの整数倍に相当するように選定される。このような光ポンピングにより電荷担体は励起状態でポンピングされ、上方または下方のレーザーレベルとのあいだのエネルギ差は量子井戸の材料に典型的なＬＯ光子エネルギの整数倍に相当する。このことは電子が励起されたポンピングレベルから共振増幅された複数の光子のエミッションにより迅速に上方のレーザーレベルへ遷移するという利点を有する。同様に価電子帯の正孔も励起エネルギがＬＯ格子エネルギの整数倍に相当するとき迅速に下方のレーザーレベルへ遷移する。

本発明を以下に図１〜図８に示した有利な実施例に則して説明する。

図１には外部共振器を備えたヴァーティカルエミッション型半導体レーザーの構造が示されている。レーザーは半導体ボディ１を有しており、この半導体ボディは基板２上にリフレクタ３を有している。リフレクタ３は有利にはブラッグリフレクタである。半導体ボディ１はさらに活性ゾーンとしての量子井戸構造部４を有しており、この構造部は複数のバリア層５および量子井戸６から成る。バリア層５は種々の半導体材料から成る複数の層の組み合わせであってもよい。リフレクタ３は外部鏡７とともにレーザー光８に対する共振器を形成している。レーザーはポンピング光源９によって光学的にポンピングされ、ポンピング光１０は波長λ_Ｐおよび入射角α_Ｐで量子井戸構造部４へ入射する。有利にはポンピング光源９は半導体レーザーである。

図２には本発明のレーザーの半導体ボディの第１の実施例が示されている。基板２上にはリフレクタ３が位置している。このリフレクタは上下に重ねられた第１のリフレクタ１１および第２のリフレクタ１３を有しており、それぞれポンピング光およびレーザー光を反射する。つまり例えば第１のリフレクタ１１がポンピング光を反射し、第２のリフレクタ１３がレーザー光を反射する。２つの鏡のあいだおよび／または鏡と活性ゾーンとのあいだに中間層１２Ａ、１２Ｂが配置される。中間層１２Ａおよび／または１２Ｂはポンピング光の定在波のうち電場の最大値が量子井戸の位置に発生するように適切な組成および厚さで構成される。半導体ボディのうちポンピング光源に向かう側の表面には１つまたは複数の層から成る層列１４が被着される。この層列は表面での反射の増減のために用いられる。

図３には本発明のレーザーの半導体ボディの第２の実施例が示されている。層の系は基板２からはじまり、約８０ｎｍ厚さのＡｌＡｓ層１５、これに続く約７０ｎｍ厚さのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層１６、これに続く約８０ｎｍ厚さのＡｌＡｓ層１７がそれぞれ３０個ずつ周期的に配列されている。この層の列はブラッグ鏡１８となっている。ブラッグ鏡１８上には層が１４個ずつ周期的に並んだ量子井戸構造部４が続いている。量子井戸構造部４の周期は約１１０ｎｍ厚さのＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層１９、約２５ｎｍ厚さのＧａＡｓＰバリア層２０、および約１０ｎｍ厚さのＩｎＧａＡｓ量子井戸２１から成っている。ＧａＡｓＰを第２のバリア層の材料として使用することにより、電圧が補償される。当該の量子井戸構造部の発光波長は約９８５ｎｍである。量子井戸構造部に続いて約２８０ｎｍ厚さのＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層２２とさらに続く約４３０ｎｍ厚さのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層（またはこれに代わるＧａＩｎＰ層）２３とが被着されている。これらの層は活性ゾーンからの電荷担体の拡散を阻止する。

図４には図３の半導体ボディへ４５°の入射角で入射する光について計算された吸収スペクトルのグラフが示されている。ｓ偏光は実線で、ｐ偏光は破線で示されている。ここでは次の層厚さがシミュレーションに用いられた。すなわち８２ｎｍのＡｌＡｓ層１５、７１ｎｍのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層１６、８２ｎｍのＡｌＡｓ層１７、１０６ｎｍのＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層１９、２５ｎｍのＧａＡｓＰ層（バリア層）２０、１０ｎｍのＩｎＧａＡｓ層（量子井戸）２１、２７９ｎｍのＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層２２、４３２ｎｍのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７層２３である。ここでは吸収スペクトルに強い吸収線２４が示されているが、これは大きな波長のために約８００ｎｍで発生しているバリア層の吸収領域２５よりもエネルギ的に低い。ここに示されているような量子井戸構造部４を含む半導体ボディのスペクトル吸収のシミュレーションは、量子井戸の吸収線のうち最大のものが発生する最適な入射角α_Ｐのサーチに用いられる。

図５には本発明のレーザーの半導体ボディの第３の実施例が示されている。ここでの半導体ボディは付加的に４つの層が被着されている点で図３の半導体ボディと異なっている。これは約１８０ｎｍ厚さのＳｉＯ_２層２６、約１２０ｎｍ厚さのＳｉＮ層２７、約１８０ｎｍ厚さのＳｉＯ_２層２８、約１２０ｎｍ厚さのＳｉＮ層２９から成る層列である。半導体ボディのうちポンピング光源に向かう側に被着された層列１４は半導体ボディの内側から到来するポンピング光の反射を高める。リフレクタ１８との共同作用によりこの層の列はポンピング光に対する定在波を量子井戸構造部内に形成する。これにより電場の最大値が量子井戸の位置に来る。

図６には図５の半導体ボディで計算された吸収スペクトルＡ（λ）が示されている。ここでは層列１４に対して、１８５ｎｍのＳｉＯ_２層２６、１２０ｎｍのＳｉＮ層２７、１７９ｎｍのＳｉＯ_２層２８、１２４ｎｍのＳｉＮ層２９の各層厚さがシミュレーションに用いられた。その他の層厚さは全て図４に示したシミュレーションに一致する。被着されている層列１４により共振を増幅するポンピング光の吸収が量子井戸５内で生じ、これにより波長９２５ｎｍの吸収線３０は図３に示した線２４に比べて格段に高まる。約９２５ｎｍの波長の吸収線３０の光はほぼ１００％吸収される。量子井戸５のポンピングに最適な波長は約８００ｎｍのバリア層５のポンピングに比べてレーザーの発光波長９８５ｎｍのほうにきわめて近い。このためレーザー光８の光子エネルギとポンピング光１０の光子エネルギとのあいだのポンピングプロセスによるエネルギ損失は著しく低減される。

図７には本発明のレーザーの半導体ボディで計算された吸収スペクトルＡ（λ）および反射スペクトルＲ（λ）が示されている。ｓ偏光のＲ（λ）は曲線３１、ｐ偏光のＲ（λ）は曲線３２、ｓ偏光のＡ（λ）は曲線３３、ｐ偏光のＡ（λ）は曲線３４で示されている。この計算は入射角４５°で行われている。マーキングされた領域３５〜３８に含まれる吸収スペクトルの最大値の波長λがポンピング光の入射に適している。この波長では量子井戸構造部の吸収が高くなる一方で反射が小さくなり、ポンピング光が効率的に半導体ボディ内へ入力結合される。

図８にはヴァーティカルエミッション型半導体レーザーの本発明による別の実施例が示されている。このレーザーは外部共振器内にレーザー光８の周波数の増倍用の非線形の光学結晶３９を有している。周波数は例えば２倍にされる。例えばレーザー光の２次高調波を効率的に形成するために、波長選択素子４０をレーザー共振器内に設けてもよい。

本発明の権利保護範囲は上述の実施例のみに限定されない。上述の実施例および特許請求の範囲に示された特徴は個別でも組み合わせても本発明の対象となりうる。

外部共振器を備えたヴァーティカルエミッション型半導体レーザーの構造を示す図である。

本発明のレーザーの半導体ボディの第１の実施例を示す図である。

本発明のレーザーの半導体ボディの第２の実施例を示す図である。

図３の半導体ボディで計算された吸収スペクトルを示すグラフである。

本発明のレーザーの半導体ボディの第３の実施例を示す図である。

図５の半導体ボディで計算された吸収スペクトルを示すグラフである。

本発明のレーザーの半導体ボディで計算された吸収スペクトルおよび反射スペクトルを示すグラフである。

本発明のレーザーの別の実施例を示す図である。

符号の説明

１ 半導体ボディ
２ 基板
３ リフレクタ
４ 量子井戸構造部
５ バリア層
６ 量子井戸
７ 鏡
８ レーザー光
９ ポンピング光源
１０ ポンピング光

Claims (15)

1. 半導体ボディ（１）と少なくとも１つのポンピング光源（９）とを有しており、
   半導体ボディ内に活性ゾーンとしての量子井戸構造部（４）が存在しており、該量子井戸構造部（４）は複数の量子井戸（６）とその間に位置する複数のバリア層（５）とを含んでおり、
   ポンピング光源は波長λ_Ｐおよび入射角α_Ｐでポンピング光（１０）を活性ゾーン（４）へ入射させる
   外部共振器を備えたヴァーティカルエミッション型半導体レーザーにおいて、
   ポンピング光（１０）の波長λ_Ｐおよび入射角α_Ｐは当該のポンピング光の吸収が主として量子井戸（６）内で行われるように選定されている
   ことを特徴とする外部共振器を備えたヴァーティカルエミッション型半導体レーザー。
2. 量子井戸構造部（４）のうちポンピング光源（９）とは反対側にポンピング光（１０）を反射する後面リフレクタ（１１）を有する、請求項１記載のレーザー。
3. 後面リフレクタ（１１）は単独の層または複数の層の列から成る、請求項２記載のレーザー。
4. 後面リフレクタ（１１）はブラッグリフレクタである、請求項３記載のレーザー。
5. 後面リフレクタ（１１）はポンピング光（１０）およびレーザー光（８）を反射するリフレクタである、請求項２から４までのいずれか１項記載のレーザー。
6. レーザー光を反射するリフレクタ（１３）を有しており、当該のリフレクタ（１３）と後面リフレクタ（１１）とのあいだに中間層（１２Ａ）が設けられている、請求項２記載のレーザー。
7. 後面リフレクタ（１１）と量子井戸構造部（４）とのあいだに中間層（１２Ｂ）が設けられている、請求項２記載のレーザー。
8. 半導体ボディ（１）のうちポンピング光源（９）に向かう側に半導体ボディ内部で発生したポンピング光（１０）の反射を高める複数の層の列（１４）が被着されている、請求項１記載のレーザー。
9. 半導体ボディ（１）のうちポンピング光源（９）に向かう側にレーザー光（８）の反射を低める層列（１４）が被着されている、請求項１記載のレーザー。
10. 層列（１４）はポンピング光（１０）とレーザー光（８）とに対して異なる反射率を有する、請求項８または９記載のレーザー。
11. ポンピング光（１０）の入射角および波長は、半導体ボディ（１）内部にポンピング光の定在波が発生し、かつ当該の定在波の電場の腹が量子井戸構造部（４）内部の量子井戸（６）に位置するように選定されている、請求項１記載のレーザー。
12. ポンピング光（１０）は後面リフレクタ（１１）および半導体ボディ（１）の表面から成る共振器の縦波モードの共振条件を満足する、請求項２記載のレーザー。
13. 光ポンピングされる量子井戸の状態と上方または下方のレーザーレベルとのあいだのエネルギ差は量子井戸の材料に典型的なＬＯ光子エネルギの整数倍に相当する、請求項１記載のレーザー。
14. 外部共振器内にレーザー光の周波数を増倍する非線形の光学結晶が配置されている、請求項１記載のレーザー。
15. 周波数の増倍の度合は２倍である、請求項１４記載のレーザー。

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