JP2004503118A - 半導体レーザ・ポンピング固体レーザ・システムに使用するｖｃｓｅｌおよび集積マイクロレンズを有するｖｃｓｅｌアレイ - Google Patents
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Abstract
改良されたパワーおよびビーム特徴を有する垂直キャビティ表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）デバイス。ＶＣＳＥＬデバイスは、１つのＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬのアレイを含む。各ＶＣＳＥＬは対応する集積マイクロレンズを有し、ＶＣＳＥＬデバイスのデバイス側にヒート・シンクが取り付けられる。ヒート・シンクによって放熱が改善され、それによってＶＣＳＥＬデバイスの出力レーザ・ビームのパワー特徴が改善される。マイクロレンズまたはマイクロレンズ・アレイによって、ＶＣＳＥＬデバイスの出力レーザ・ビームをより簡単かつコンパクトに集束することができる。ＶＣＳＥＬデバイスは、多様な光学システムに使用することができ、その改善されたパワーおよび集束特徴は、コンパクトで低パワー、低コストのレーザ・システムを提供する。
Description
【０００１】
（発明の分野）
本発明はデバイス側ヒート・シンクおよび集積マイクロレンズを有する垂直キャビティ表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）に関する。このようなＶＣＳＥＬは、半導体レーザ・ポンピング固体レーザ・システムなどの様々な通信システム、特にＶＣＳＥＬで固体レーザをポンピングする電気通信およびデータ通信分野の光生成および発光システムに使用できるので有利である。
【０００２】
（発明の背景）
コンパクトで低コストかつ低騒音のレーザは、光ファイバ伝送システムなどの高性能アナログフォトニック・システムの開発に必要不可欠である。しかし、このようなレーザはまだ十分に開発されていない。
【０００３】
例えば、外部でポンピングした固体レーザを使用して、光ファイバ伝送のレーザ・ビームを生成することが、よく知られている。このようなレーザ・システムは、Ｅｒ：Ｙｂをドープしたガラス・マイクロチップ・レーザを含むことがあり、これは特に、光通信システムに適切な波長（つまり１５３０〜１５６０ｎｍ）を有する光ビームを生成するのに有用である。しかし、このようなレーザ・システムは、通常、フラッシュ・ランプなどの高価または非効率的なポンピング機構を使用する必要がある。
【０００４】
ダイオード・レーザは比較的安価で効率的なポンピング機構であることが知られているが、このようなレーザは、通常、広範囲の用途に有効であるためにはパワーもビーム品質も低すぎる。特に、約２〜５ｍＷのパワー出力を有する低パワー垂直キャビティ表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、安価で生産しやすいことが知られている。さらに、ＶＣＳＥＬは、ＶＣＳＥＬの円形放射ファセットを同様の形状の光ファイバ・ケーブル芯に一致させるのが容易であるので、例えば多モード・ファイバでの低パワー伝送など、特定の光ファイバ用途によく適している。
【０００５】
しかし、従来のＶＣＳＥＬはエッジ放射ダイオード・レーザと同様に、上述したＥｒ：Ｙｂなどのドーピングしたガラス・レーザのポンピング機構として効果的に働くには、パワーが低すぎる。さらに、単一のＶＣＳＥＬの出力パワーは、このようなＶＣＳＥＬの放熱特性が劣るため、放射ファセットの表面積のサイズを増加しても効果的に向上させることができない。この欠点は、複数のＶＣＳＥＬをアレイ状に配列し、ＶＣＳＥＬの（基板側とは反対の）デバイス側に取り付けたヒート・シンクを含めることによって克服されうることが知られている。しかし、このようなＶＣＳＥＬの高パワー・アレイは、光学的点火機構の状況でしか想定されなかった。最後に、ＶＣＳＥＬデバイスを含む従来のレーザ・システムは、通常、ＶＣＳＥＬ出力ビームを効果的に使用するために別個の外部レンズ・システムを広範に使用する必要がある。このようなレンズ・システムを含めた配置構成を有する必要があるので、システムのサイズおよび費用が増加する。
【０００６】
（発明の概要）
本発明の実施形態におけるＶＣＳＥＬは、基板側ではなくデバイス側にヒート・シンクを含み、それによって熱放射を改善することで、高パワー出力を達成する底部放射ＶＣＳＥＬである。１つのアレイにこのようなＶＣＳＥＬを複数配列し、合計のパワー出力をさらに増加させることができる。また、屈折性マイクロレンズを１つまたは複数のＶＣＳＥＬの基板と一体化し、出力ビームの発散減少と、多様な通信システムのビームの集束および／または視準に役立つようにする。したがって、費用とスペースを使う外部レンズの必要性が低下する。
【０００７】
結果として得られるＶＣＳＥＬデバイスは、コンパクトかつ安価で、しかも外部光学エレメントと効果的に結合できる高パワー高品質の出力ビームを生成する。
【０００８】
本発明によるＶＣＳＥＬデバイス、特に本発明のＶＣＳＥＬデバイス・アレイは、Ｅｒ：Ｙｂをドープしたガラス・レーザなどのドープ・ガラス・レーザのポンピング機構として使用でき、それによってコンパクト、低コスト、低騒音、高パワーのレーザ・システムを提供できるので有利である。
【０００９】
Ｅｒ：Ｙｂガラス・レーザは、波長可変レーザのゲイン媒質として使用することもでき、本発明によるレーザ・システムは、単周波でも波長可変でも、多種多様な光通信用途に使用することができる。
【００１０】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１は、本発明によるＶＣＳＥＬ１００の例示的実施形態を示す。ＶＣＳＥＬ１００は、適切な半導体材料の基板１０１を備え、その上でＶＣＳＥＬ１００の他の材料、例えばＧａＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰなどが成長することができる。基板１０１は、対向する内面および外面１０２および１０３を有し、好ましくはＮ型の導電性である。Ｎオーム接触層１０４が表面１０３に付着して、以下で述べるように光を通して放射させ領域１０５を画成する。領域１０５は、反射防止誘電層（図示せず）で被覆される。基板１０１の内面１０２には第１ミラー・スタック１０６がある。ミラー・スタック１０６は分散型ブラッグ反射鏡であり、異なる屈折率を有する半導体材料の交互の層１０６および１０８で形成される。これは、例えばＡｌＧａＡａなどの異なる組成の材料を使用することによって達成され、層１０７の材料中のアルミニウム量が、層１０８の材料中のアルミニウム量と異なる。周知のように、層１０７および１０８の厚さおよび特定の組成が、ＶＣＳＥＬによって放射される光の波長を決定する。第１ミラー・スタック１０６の層１０７および１０８の材料は、例えばＮ型の導電性がある。
【００１１】
第１ミラー・スタック１０６上には絶縁体１０９があり、これは隆起し、活性層１１１、ＶＣＳＥＬの第２ミラー・スタック１１３（以下で詳述する）、および第２クラッディング層１１２とともに活性層１１１を挟むクラッディング１１０の周囲を囲んでいる。活性層１１１はドープされない。活性領域１１１は、よく知られている量子井戸構造か、多量子井戸構造でよい。活性領域の厚さは、例えば放射波長の半分または１放射波長でよい。
【００１２】
第２ミラー・スタック１１３は活性層１１１の上にある。第２ミラー・スタック１１３も分散型ブラッグ反射鏡であり、第１ミラー・スタック１０６と同様、異なる屈折率を有する材料の交互の層１１４および１１５を備える。第２ミラー・スタック１１３の層１１４および１１５は、第１ミラー・スタック１０６の層１０７および１０８と同じ材料でよい。しかし、第２ミラー・スタック１１３の層１１４および１１５は、第１ミラー・スタック１０６の層１０７および１０８とは反対の導電性であり、例えばここで層１１４および１１５はＰ型の導電性である。金属などの導電性材料の接触層１１６を第２ミラー・スタック１１３に被覆する。
【００１３】
ダイアモンドまたは金属などの熱伝導性材料のディスクでできたヒート・シンク本体１１８を、はんだなどの適切な結合材料１１７で接触層１１６に装着する。従来のＶＣＳＥＬデバイスは、通常、ヒート・シンクを含むが、このヒート・シンクはＶＣＳＥＬの基板側に装着する。基板の厚さ（通常は１００ミクロン以上）のため、ＶＣＳＥＬからの熱は十分に散逸しない。これに対して、本発明のヒート・シンク本体１１８は、ＶＣＳＥＬの半導体材料からの熱をより直接的に除去し、したがってＶＣＳＥＬの超過加熱の防止にははるかに効果的である。これによって、ＶＣＳＥＬを、少なくとも５０〜１００ｍＷの範囲において、はるかに高いパワーで動作させることができる。
【００１４】
また、基板１０１の外面１０３は、例えば化学エッチングなどで湾曲面に形成することができる。この湾曲面１０３は、ＶＣＳＥＬが放射ウィンドウ１０５を通して放射する光線のためのマイクロレンズを形成する。図１に示す１つのＶＣＳＥＬデバイスでは、マイクロレンズが、ＶＣＳＥＬの放射したレーザ・ビームのビーム発散を減少させることができる。このマイクロレンズがない場合、ＶＣＳＥＬデバイスのビーム発散は約１０〜１５°になる。しかし、本発明のマイクロレンズは、ビーム発散を約０〜１°まで減少させ、それによってスポット・サイズを小型化し、伝送用光ファイバ・ケーブルの結合をさらに容易にすることができる。多モード光ファイバ伝送用の結合など、特定の用途では、マイクロレンズを含む上述の配置構成で十分であり、外部レンズ構成の必要がない。
【００１５】
あるいは、図２Ａおよび図２Ｂ（同様の参照番号は図１に示した同様の部品を指す。図２から図４には結合材料１１７およびヒート・シンク１１８が図示されていないことにも留意されたい）に示すように、基板１０１の外面をエッチングし、同心円を形成する階段状表面を形成して、回折マイクロレンズを提供することができる。このようなマイクロレンズも、ＶＣＳＥＬの出力ビームを直接集束することができる。
【００１６】
図３に示すように、図１に関して説明したＶＣＳＥＬを使用して、ＶＣＳＥＬアレイ３００を形成することができる（この場合も、同様の参照番号は図１に示した同様の部品を指す）。したがって、ＶＣＳＥＬデバイス３０１、３０２および３０３をＶＣＳＥＬアレイとして一緒に形成することができ、ここで各デバイスはそれぞれ光ビーム３０４、３０５および３０６を出力し、それによって累積的にＶＣＳＥＬアレイ出力ビームを提供する。個々のエレメントは、Ｐ型層を通してエッチングし、その後に誘電表面不活性化の後、最終的な相互接続金属層を電気的接触のために付着させて形成する。これによって、基板のＮ型オーム接触層１０４および第２ミラー・スタックのＰ型オーム接触層１１６を通して平行に電気的にバイアスがかかった放射エレメントのアレイが形成される。ヒート・シンク本体は、図１に示すように、接触層１１６に装着し、固定することができる。
【００１７】
基板１０１の外面１０３は、複数の個別マイクロレンズ３０７、３０８、３０９になるよう形成し、マイクロレンズのアレイを形成する。効率的な発光のため、マイクロレンズに誘電反射防止コーティング層（図示せず）を付着させる。アレイ３００の各ＶＣＳＥＬデバイスからの光は、別個のマイクロレンズ３０７、３０８、３０９のうち対応する１つを通過する。
【００１８】
下から見ると、上述したアレイは、例えば円形、長方形または六角形など、多様な形状およびサイズで配列することができる。上述したようなＶＣＳＥＬデバイスのサイズは、例えば１５０〜２００ミクロンという大きなものにすることができ、アレイのサイズは１００以上が可能である。６×６のアレイ・サイズが、約１Ｗの合計パワー出力を容易に提供することができる。
【００１９】
図３に示すように、屈折マイクロレンズを配列して、合成ビームを形成する平行ビームの出力を提供することができる。したがって、事実上＜１°のビーム発散の場合、例えばアレイ・サイズが特定の高パワー用途にとって比較的大きく、比較的小さい開口数を有する光ファイバ・ケーブルを結合するためなどで、追加の集束が必要なら、別個のレンズで、このような平行ビーム（つまり合成ビーム）の集束を容易に達成することができる。パワーやアレイ・サイズが比較的小さい場合は、追加の集束が必要なく、したがってビームを例えば開口が広い多モード光ファイバ・ケーブルに直接結合することができる。
【００２０】
図４に示すように、マイクロレンズ４０７、４０８、４０９を通して集束ビーム４０、４０５、４０６を出力するよう、ＶＣＳＥＬデバイス４０１、４０２、４０３を有する屈折マイクロレンズ・アレイ４００を設計することができる。この配置構成は、ＶＣＳＥＬによるビーム出力のビーム発散を全体として効果的に減少させ、それによって、必要に応じて外部レンズによる集束をさらに簡単にし、効果的にすることができる。特に、外部レンズは、ＶＣＳＥＬアレイ内の対応するＶＣＳＥＬの出力軸からアレイの中心の方向に向かってオフセットし、それによってアレイの出力ビームを全体としてさらに効果的に（漸進的に）集束させることができる。この配置構成は、ＶＣＳＥＬの出力ビームを電気通信用途の単モード・ファイバに結合するのに、特に有用である。図３および図４の両方で、ＶＣＳＥＬデバイス３０１〜３０３と４０１〜４０３間の垂直線は、ＶＣＳＥＬデバイス間の概念的分離ポイントを示すだけのものと意図され、本発明の文字通りの特徴または物理的特徴を意味するものではない。
【００２１】
上述したＶＣＳＥＬおよび／またはＶＣＳＥＬアレイを利用する本発明によるレーザ・システムの形態を、参照番号５００で総称して図５および図６に示す。レーザ・システム５００は、銅またはコバールなどの熱伝導性が良好な材料で、ほぼ長方形の形状を有するハウジング５０１を備える。ハウジング５０１は、平坦なベース・プレート５０２、およびベース・プレート５０２の側部から延在する１対の側壁５０３を備える。ハウジング５０１は、ベース・プレート５０２の端部に後端壁および前端壁５０４および５０５を有する。カバー５０６が側壁５０３および端壁５０４および５０５に指し渡して延在し、これに固定される。ハウジング５０１内にはＶＣＳＥＬ（例えば図１から図４に示す構造を含むことがある）があり、後端壁５０４の内面に装着される。（図５には図示されていないが）上述したようなＶＣＳＥＬ（アレイ）５０７に取り付けたヒート・シンク本体１１８の寸法は、ハウジング５０１の外壁の内寸とほぼ同じであり、したがってヒート・シンク本体１１８はハウジング５０１にぴったり填ることに留意されたい。
【００２２】
ハウジング５０１の内部でＶＣＳＥＬ５０７の前方には、固体マイクロチップ・レーザ・アセンブリ５０８がある。固体マイクロチップ・レーザ・アセンブリ５０８は、熱伝導性が良好な材料で、ハウジング５０１に填る装着ブロック５０９を備える。装着ブロック５０９は、前面にある窪み５０９ａ、および窪み５０９ａの底部から装着ブロック５０９の後部へと延在する開口５０９ｂを有する。マイクロチップ・レーザ５１０は、装着ブロック５０９の窪み５０９ａの中にある。マイクロチップ・レーザ５１０は、例えばエルビウムまたはイッテルビウムをドープしたガラスなどで作成することができ、光学的に透明で熱伝導性が良好な材料の装着プレート５１１に装着される。装着ブロック５０９も、銅またはコバールなどの熱伝導性が良好な金属でよく、マイクロチップ・レーザ５１０からの光が通ることができる開口を有する。装着プレート５１１は、装着ブロック５０９の前部に延在し、これに固定される。装着プレート５１１の前部には光学フィルタ５１２を装着する。装着ブロック５０９の開口５０９ｂにレンズ５１３を装着する。
【００２３】
光学デバイス５００の作動時には、ＶＣＳＥＬ（アレイ）を通して電流を加え、活性層１１１で光を生成する。光は、活性層１１１内で第１ミラー・スタック１０６と第２ミラー・スタック１１３間にて反射する。しかし、第１ミラー・スタック１０６は、部分的に光を通過させ、したがって生成された光は、ＶＣＳＥＬから基板１０１を後方に出射す。放射された光ビームは、レンズ５１３によってドープ・ガラス・レーザ・ディスク５１０に向かう。したがって、ＶＣＳＥＬが放射した光ビームはガラス・レーザ・ディスク５１０に集束し、それによってガラス・レーザ・ディスク５１０をポンピングして、光ビームを生成、放射させる。
【００２４】
ハウジング５０１の内部で固体マイクロチップ・レーザ・アセンブリ５０８の前方には、光学アセンブリ５１４がある。光学アセンブリ５１４は管状マウント５１５を含み、これは、アセンブリ５０８に近いその端部に隣接して光アイソレータ５１６を有する。管状マウント５１５の反対側の端部に近くで光視準レンズ５１７もその中に装着されている。フォトダイオード５１８がマウント５１５の壁の中で、光アイソレータ５１６と視準レンズ５１７の間にある。プラグ５１９が、視準レンズ５１７に隣接して、マウント５１８の他方端にある。プラグを通って単モード光ファイバ５２０が延在し、それに装着される。光ファイバ５２０の内端５２１は視準レンズ５１７と整列し、したがって視準レンズ５１７からの光を受け、デバイス５００の出力部として働く。光ファイバ５２０は、ハウジング５００の前壁５０５にある開口を通って延在し、それに固定される。
【００２５】
固体レーザ・ディスクによって生成される出力光ビームは、ＶＣＳＥＬ５０７によって放射される光の波長とは異なる波長であり、フィルタ５１２に向かう。ＶＣＳＥＬ５０７からの光の大部分はレーザ・ガラス・ディスク５１０をポンピングするが、ＶＣＳＥＬ５０７からの光の一部はガラス・ディスク５１０を通過し、これもフィルタ５１２に向かう。フィルタ５１２は、固体レーザ５１０から放射された光ビームは通過できるが、ＶＣＳＥＬ５０７からの光は全て遮断するよう設計されている。したがって、固体レーザ５１０からの光ビームのみがフィルタ５１２を通過する。
【００２６】
次に、固体レーザ５１０からの光ビームは光アイソレータ５１６に入る。光アイソレータ５１６は、固体レーザ５１０からの光ビームは通過させるが、光学デバイス５００の他のエレメントから反射した光のフィードバックは防止する任意の周知の構造でよい。光アイソレータ５１６を通過する光ビームは、次に視準レンズ５１７に入る。視準レンズ５１７は、光ビームを光ファイバ５２０の内端５２１に配向する。光は次に、光ファイバ５２０を通って光学デバイス５００を出て、データ通信または電気通信での使用など、所望の目的を実行する。フォトダイオード５１８は、マウント５１５内に装着され、固体マイクロチップ・レーザ５１０から放射された光ビームの出力を監視する働きをする。
【００２７】
上述したＶＣＳＥＬアレイは、直前に述べたレーザ・システムとの関連で使用すると、同様の従来のレーザ・システムと比較して、全体としてレーザ・システムのサイズおよび費用を大幅に削減できることが重要である。特に、（ヒート・シンク１１８によって）ＶＣＳＥＬアレイからのビーム出力のパワーが増加するので、ＶＣＳＥＬデバイスをレーザ・ポンプとして使用することができる。上述したように、ＶＣＳＥＬデバイスは、従来のポンピング機構よりはるかに安価で、小さく、生産が容易である。さらに、集積マイクロレンズを使用すれば、レーザ・システムのサイズで小さくし、費用の低減を可能とする。実際、上述した集積マイクロレンズがないと、ＶＣＳＥＬの物理的サイズは、図５および図６に示したものと同様のデバイスに実装するのを非常に困難にする。つまり、十分に短い焦点距離を有する外部レンズ（またはレンズ・システム）をレンズ５１３として使用すると、集束光の視準が困難となることが判明した。より長い焦点距離のレンズを使用すると、視準は改善されるが、放射された光ビームの発散のせいで、ガラス・レーザ・ディスク５１０にて十分に小さいスポット・サイズを獲得することが困難になる。したがって、集積マイクロレンズを含まないＶＣＳＥＬアレイを、図５および図６に示したような構成に使用することは、理論的には可能かもしれないが、このような実装は、サイズおよび困難さの点で非常に非実際的である。
【００２８】
このような実際的な障害は、上述した集積マイクロレンズを有するＶＣＳＥＬアレイを使用することにより、容易に克服される。つまり、開示されたアレイを使用すると、ガラス・レーザ・ディスク５１０のポンピングに外部レンズを配置し、使用する必要性が低下するか、必要なくなり、デバイスの費用、サイズおよび品質が全体として大幅に改善される。特に、上述した構成は、屈折マイクロレンズのアレイがＶＣＳＥＬアレイ出力ビームを集束させる働きをし、レンズ・システム５１３の各レンズが、対応する単一のＶＣＳＥＬデバイスの出力ビーム軸からずれていることは、ガラス・レーザ・ディスク５１０の効果的なポンピングにとって特に望ましい。
【００２９】
最後に、図７を参照すると、本発明の光学デバイスの別の実施形態が参照番号７００として図示され、波長可変出力ビームを提供するよう設計されている。光学デバイス７００は、ＶＣＳＥＬ１００またはＶＣＳＥＬアレイ３００／４００と同じＶＣＳＥＬ７０１を含む点で、図５および図６に示す光学デバイス５００と同様である。デバイス７００は、ＶＣＳＥＬ７０１からの光を固体レーザ・ディスク７０３に集束させる集束レンズ７０２も含む。固体レーザ・ディスク７０３は、固体レーザ・ディスク５１０と同様であるが、その両面の光学コーティングの特徴が異なり、熱伝導性のサブマウント７０５に装着されて放熱が良好な基板７０４に付着している。装着ブロック７０６には、電気的に、または圧電で駆動する薄いエタロン７０７または電気的に駆動する波長可変光学フィルタが装着される。レーザ出力結合器７０８も装着ブロック７０６に装着される。したがって広い波長の波長可変レーザは、エルビウムおよびイッテルビウムをドープし、両面に適切な光学コーティングがあるガラスなどのレーザ・ガラス・ゲイン媒質ディスク７０３、薄いエタロンまたは波長可変フィルタなどの波長選択デバイス７０７、および光結合器７０８で構成される。圧電駆動の薄いエタロン７０７または電気駆動の波長可変フィルタは、例えば１５３０〜１５７５ｎｍの波長範囲で、レーザの広い波長を調整するようになっている。レーザの出力からの光は、図５に示したのと同じ方法で光ファイバ（図示せず）に配向される。また、光学デバイス７００は、図５に示すようにハウジング（図示せず）に装着する。
【００３０】
したがって、本発明により、ＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイを使用して固体レーザをポンピングし、電気通信またはデータ通信のために光ファイバを通して光ビームを提供する光学デバイスが提供される。固体レーザは、光ファイバに配向される光ビームを生成して、放射する。ＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイは、基板に装着された半導体材料の本体を含み、半導体本体で生成された光が基板を通して放射される。基板は、１つの面に沿って形成されたレンズまたはレンズ・アレイを有し、これがＶＣＳＥＬによって放射された光を集束／視準する。ヒート・シンクは、ダイアモンドまたは他の熱伝導性が良好な材料であることが好ましく、基板から遠い方の半導体本体の側に装着され、半導体本体からの熱を伝導する。ヒート・シンクは、半導体本体の冷却を改善するよう、半導体本体の光を生成する部分付近に装着される。これによって、ＶＣＳＥＬをより高いバイアスで動作させ、ＶＣＳＥＬからのパワーを増大させることができる。
【００３１】
本発明を上記の実施形態に関して説明してきたが、これらの実施形態は例示のためにのみ設計され柄、本発明を制限するものではないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明で使用し、集積した屈折性マイクロレンズを有する単一ＶＣＳＥＬデバイスの断面図である。
【図２】
図２Ａは、本発明で使用し、ＶＣＳＥＬデバイスが放射したビームを集束する集積回折マイクロレンズを有する単一ＶＣＳＥＬデバイスの断面図である。
図２Ｂは、図２Ａで示したＶＣＳＥＬデバイスの底面図である。
【図３】
本発明のデバイスに使用することができ、平行ビーム出力のための集積回折マイクロレンズを含む典型的なＶＣＳＥＬアレイの断面図である。
【図４】
図３で図示され、集束ビーム出力のための集積屈折マイクロレンズを含むＶＣＳＥＬデバイスのアレイの断面図である。
【図５】
ハウジングのカバーを外した状態の本発明の出力デバイスの上面図である。
【図６】
図５の線６−６に沿って切り取った断面図である。
【図７】
本発明による波長可変レーザ・システムの概略図である。
（発明の分野）
本発明はデバイス側ヒート・シンクおよび集積マイクロレンズを有する垂直キャビティ表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）に関する。このようなＶＣＳＥＬは、半導体レーザ・ポンピング固体レーザ・システムなどの様々な通信システム、特にＶＣＳＥＬで固体レーザをポンピングする電気通信およびデータ通信分野の光生成および発光システムに使用できるので有利である。
【０００２】
（発明の背景）
コンパクトで低コストかつ低騒音のレーザは、光ファイバ伝送システムなどの高性能アナログフォトニック・システムの開発に必要不可欠である。しかし、このようなレーザはまだ十分に開発されていない。
【０００３】
例えば、外部でポンピングした固体レーザを使用して、光ファイバ伝送のレーザ・ビームを生成することが、よく知られている。このようなレーザ・システムは、Ｅｒ：Ｙｂをドープしたガラス・マイクロチップ・レーザを含むことがあり、これは特に、光通信システムに適切な波長（つまり１５３０〜１５６０ｎｍ）を有する光ビームを生成するのに有用である。しかし、このようなレーザ・システムは、通常、フラッシュ・ランプなどの高価または非効率的なポンピング機構を使用する必要がある。
【０００４】
ダイオード・レーザは比較的安価で効率的なポンピング機構であることが知られているが、このようなレーザは、通常、広範囲の用途に有効であるためにはパワーもビーム品質も低すぎる。特に、約２〜５ｍＷのパワー出力を有する低パワー垂直キャビティ表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、安価で生産しやすいことが知られている。さらに、ＶＣＳＥＬは、ＶＣＳＥＬの円形放射ファセットを同様の形状の光ファイバ・ケーブル芯に一致させるのが容易であるので、例えば多モード・ファイバでの低パワー伝送など、特定の光ファイバ用途によく適している。
【０００５】
しかし、従来のＶＣＳＥＬはエッジ放射ダイオード・レーザと同様に、上述したＥｒ：Ｙｂなどのドーピングしたガラス・レーザのポンピング機構として効果的に働くには、パワーが低すぎる。さらに、単一のＶＣＳＥＬの出力パワーは、このようなＶＣＳＥＬの放熱特性が劣るため、放射ファセットの表面積のサイズを増加しても効果的に向上させることができない。この欠点は、複数のＶＣＳＥＬをアレイ状に配列し、ＶＣＳＥＬの（基板側とは反対の）デバイス側に取り付けたヒート・シンクを含めることによって克服されうることが知られている。しかし、このようなＶＣＳＥＬの高パワー・アレイは、光学的点火機構の状況でしか想定されなかった。最後に、ＶＣＳＥＬデバイスを含む従来のレーザ・システムは、通常、ＶＣＳＥＬ出力ビームを効果的に使用するために別個の外部レンズ・システムを広範に使用する必要がある。このようなレンズ・システムを含めた配置構成を有する必要があるので、システムのサイズおよび費用が増加する。
【０００６】
（発明の概要）
本発明の実施形態におけるＶＣＳＥＬは、基板側ではなくデバイス側にヒート・シンクを含み、それによって熱放射を改善することで、高パワー出力を達成する底部放射ＶＣＳＥＬである。１つのアレイにこのようなＶＣＳＥＬを複数配列し、合計のパワー出力をさらに増加させることができる。また、屈折性マイクロレンズを１つまたは複数のＶＣＳＥＬの基板と一体化し、出力ビームの発散減少と、多様な通信システムのビームの集束および／または視準に役立つようにする。したがって、費用とスペースを使う外部レンズの必要性が低下する。
【０００７】
結果として得られるＶＣＳＥＬデバイスは、コンパクトかつ安価で、しかも外部光学エレメントと効果的に結合できる高パワー高品質の出力ビームを生成する。
【０００８】
本発明によるＶＣＳＥＬデバイス、特に本発明のＶＣＳＥＬデバイス・アレイは、Ｅｒ：Ｙｂをドープしたガラス・レーザなどのドープ・ガラス・レーザのポンピング機構として使用でき、それによってコンパクト、低コスト、低騒音、高パワーのレーザ・システムを提供できるので有利である。
【０００９】
Ｅｒ：Ｙｂガラス・レーザは、波長可変レーザのゲイン媒質として使用することもでき、本発明によるレーザ・システムは、単周波でも波長可変でも、多種多様な光通信用途に使用することができる。
【００１０】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１は、本発明によるＶＣＳＥＬ１００の例示的実施形態を示す。ＶＣＳＥＬ１００は、適切な半導体材料の基板１０１を備え、その上でＶＣＳＥＬ１００の他の材料、例えばＧａＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰなどが成長することができる。基板１０１は、対向する内面および外面１０２および１０３を有し、好ましくはＮ型の導電性である。Ｎオーム接触層１０４が表面１０３に付着して、以下で述べるように光を通して放射させ領域１０５を画成する。領域１０５は、反射防止誘電層（図示せず）で被覆される。基板１０１の内面１０２には第１ミラー・スタック１０６がある。ミラー・スタック１０６は分散型ブラッグ反射鏡であり、異なる屈折率を有する半導体材料の交互の層１０６および１０８で形成される。これは、例えばＡｌＧａＡａなどの異なる組成の材料を使用することによって達成され、層１０７の材料中のアルミニウム量が、層１０８の材料中のアルミニウム量と異なる。周知のように、層１０７および１０８の厚さおよび特定の組成が、ＶＣＳＥＬによって放射される光の波長を決定する。第１ミラー・スタック１０６の層１０７および１０８の材料は、例えばＮ型の導電性がある。
【００１１】
第１ミラー・スタック１０６上には絶縁体１０９があり、これは隆起し、活性層１１１、ＶＣＳＥＬの第２ミラー・スタック１１３（以下で詳述する）、および第２クラッディング層１１２とともに活性層１１１を挟むクラッディング１１０の周囲を囲んでいる。活性層１１１はドープされない。活性領域１１１は、よく知られている量子井戸構造か、多量子井戸構造でよい。活性領域の厚さは、例えば放射波長の半分または１放射波長でよい。
【００１２】
第２ミラー・スタック１１３は活性層１１１の上にある。第２ミラー・スタック１１３も分散型ブラッグ反射鏡であり、第１ミラー・スタック１０６と同様、異なる屈折率を有する材料の交互の層１１４および１１５を備える。第２ミラー・スタック１１３の層１１４および１１５は、第１ミラー・スタック１０６の層１０７および１０８と同じ材料でよい。しかし、第２ミラー・スタック１１３の層１１４および１１５は、第１ミラー・スタック１０６の層１０７および１０８とは反対の導電性であり、例えばここで層１１４および１１５はＰ型の導電性である。金属などの導電性材料の接触層１１６を第２ミラー・スタック１１３に被覆する。
【００１３】
ダイアモンドまたは金属などの熱伝導性材料のディスクでできたヒート・シンク本体１１８を、はんだなどの適切な結合材料１１７で接触層１１６に装着する。従来のＶＣＳＥＬデバイスは、通常、ヒート・シンクを含むが、このヒート・シンクはＶＣＳＥＬの基板側に装着する。基板の厚さ（通常は１００ミクロン以上）のため、ＶＣＳＥＬからの熱は十分に散逸しない。これに対して、本発明のヒート・シンク本体１１８は、ＶＣＳＥＬの半導体材料からの熱をより直接的に除去し、したがってＶＣＳＥＬの超過加熱の防止にははるかに効果的である。これによって、ＶＣＳＥＬを、少なくとも５０〜１００ｍＷの範囲において、はるかに高いパワーで動作させることができる。
【００１４】
また、基板１０１の外面１０３は、例えば化学エッチングなどで湾曲面に形成することができる。この湾曲面１０３は、ＶＣＳＥＬが放射ウィンドウ１０５を通して放射する光線のためのマイクロレンズを形成する。図１に示す１つのＶＣＳＥＬデバイスでは、マイクロレンズが、ＶＣＳＥＬの放射したレーザ・ビームのビーム発散を減少させることができる。このマイクロレンズがない場合、ＶＣＳＥＬデバイスのビーム発散は約１０〜１５°になる。しかし、本発明のマイクロレンズは、ビーム発散を約０〜１°まで減少させ、それによってスポット・サイズを小型化し、伝送用光ファイバ・ケーブルの結合をさらに容易にすることができる。多モード光ファイバ伝送用の結合など、特定の用途では、マイクロレンズを含む上述の配置構成で十分であり、外部レンズ構成の必要がない。
【００１５】
あるいは、図２Ａおよび図２Ｂ（同様の参照番号は図１に示した同様の部品を指す。図２から図４には結合材料１１７およびヒート・シンク１１８が図示されていないことにも留意されたい）に示すように、基板１０１の外面をエッチングし、同心円を形成する階段状表面を形成して、回折マイクロレンズを提供することができる。このようなマイクロレンズも、ＶＣＳＥＬの出力ビームを直接集束することができる。
【００１６】
図３に示すように、図１に関して説明したＶＣＳＥＬを使用して、ＶＣＳＥＬアレイ３００を形成することができる（この場合も、同様の参照番号は図１に示した同様の部品を指す）。したがって、ＶＣＳＥＬデバイス３０１、３０２および３０３をＶＣＳＥＬアレイとして一緒に形成することができ、ここで各デバイスはそれぞれ光ビーム３０４、３０５および３０６を出力し、それによって累積的にＶＣＳＥＬアレイ出力ビームを提供する。個々のエレメントは、Ｐ型層を通してエッチングし、その後に誘電表面不活性化の後、最終的な相互接続金属層を電気的接触のために付着させて形成する。これによって、基板のＮ型オーム接触層１０４および第２ミラー・スタックのＰ型オーム接触層１１６を通して平行に電気的にバイアスがかかった放射エレメントのアレイが形成される。ヒート・シンク本体は、図１に示すように、接触層１１６に装着し、固定することができる。
【００１７】
基板１０１の外面１０３は、複数の個別マイクロレンズ３０７、３０８、３０９になるよう形成し、マイクロレンズのアレイを形成する。効率的な発光のため、マイクロレンズに誘電反射防止コーティング層（図示せず）を付着させる。アレイ３００の各ＶＣＳＥＬデバイスからの光は、別個のマイクロレンズ３０７、３０８、３０９のうち対応する１つを通過する。
【００１８】
下から見ると、上述したアレイは、例えば円形、長方形または六角形など、多様な形状およびサイズで配列することができる。上述したようなＶＣＳＥＬデバイスのサイズは、例えば１５０〜２００ミクロンという大きなものにすることができ、アレイのサイズは１００以上が可能である。６×６のアレイ・サイズが、約１Ｗの合計パワー出力を容易に提供することができる。
【００１９】
図３に示すように、屈折マイクロレンズを配列して、合成ビームを形成する平行ビームの出力を提供することができる。したがって、事実上＜１°のビーム発散の場合、例えばアレイ・サイズが特定の高パワー用途にとって比較的大きく、比較的小さい開口数を有する光ファイバ・ケーブルを結合するためなどで、追加の集束が必要なら、別個のレンズで、このような平行ビーム（つまり合成ビーム）の集束を容易に達成することができる。パワーやアレイ・サイズが比較的小さい場合は、追加の集束が必要なく、したがってビームを例えば開口が広い多モード光ファイバ・ケーブルに直接結合することができる。
【００２０】
図４に示すように、マイクロレンズ４０７、４０８、４０９を通して集束ビーム４０、４０５、４０６を出力するよう、ＶＣＳＥＬデバイス４０１、４０２、４０３を有する屈折マイクロレンズ・アレイ４００を設計することができる。この配置構成は、ＶＣＳＥＬによるビーム出力のビーム発散を全体として効果的に減少させ、それによって、必要に応じて外部レンズによる集束をさらに簡単にし、効果的にすることができる。特に、外部レンズは、ＶＣＳＥＬアレイ内の対応するＶＣＳＥＬの出力軸からアレイの中心の方向に向かってオフセットし、それによってアレイの出力ビームを全体としてさらに効果的に（漸進的に）集束させることができる。この配置構成は、ＶＣＳＥＬの出力ビームを電気通信用途の単モード・ファイバに結合するのに、特に有用である。図３および図４の両方で、ＶＣＳＥＬデバイス３０１〜３０３と４０１〜４０３間の垂直線は、ＶＣＳＥＬデバイス間の概念的分離ポイントを示すだけのものと意図され、本発明の文字通りの特徴または物理的特徴を意味するものではない。
【００２１】
上述したＶＣＳＥＬおよび／またはＶＣＳＥＬアレイを利用する本発明によるレーザ・システムの形態を、参照番号５００で総称して図５および図６に示す。レーザ・システム５００は、銅またはコバールなどの熱伝導性が良好な材料で、ほぼ長方形の形状を有するハウジング５０１を備える。ハウジング５０１は、平坦なベース・プレート５０２、およびベース・プレート５０２の側部から延在する１対の側壁５０３を備える。ハウジング５０１は、ベース・プレート５０２の端部に後端壁および前端壁５０４および５０５を有する。カバー５０６が側壁５０３および端壁５０４および５０５に指し渡して延在し、これに固定される。ハウジング５０１内にはＶＣＳＥＬ（例えば図１から図４に示す構造を含むことがある）があり、後端壁５０４の内面に装着される。（図５には図示されていないが）上述したようなＶＣＳＥＬ（アレイ）５０７に取り付けたヒート・シンク本体１１８の寸法は、ハウジング５０１の外壁の内寸とほぼ同じであり、したがってヒート・シンク本体１１８はハウジング５０１にぴったり填ることに留意されたい。
【００２２】
ハウジング５０１の内部でＶＣＳＥＬ５０７の前方には、固体マイクロチップ・レーザ・アセンブリ５０８がある。固体マイクロチップ・レーザ・アセンブリ５０８は、熱伝導性が良好な材料で、ハウジング５０１に填る装着ブロック５０９を備える。装着ブロック５０９は、前面にある窪み５０９ａ、および窪み５０９ａの底部から装着ブロック５０９の後部へと延在する開口５０９ｂを有する。マイクロチップ・レーザ５１０は、装着ブロック５０９の窪み５０９ａの中にある。マイクロチップ・レーザ５１０は、例えばエルビウムまたはイッテルビウムをドープしたガラスなどで作成することができ、光学的に透明で熱伝導性が良好な材料の装着プレート５１１に装着される。装着ブロック５０９も、銅またはコバールなどの熱伝導性が良好な金属でよく、マイクロチップ・レーザ５１０からの光が通ることができる開口を有する。装着プレート５１１は、装着ブロック５０９の前部に延在し、これに固定される。装着プレート５１１の前部には光学フィルタ５１２を装着する。装着ブロック５０９の開口５０９ｂにレンズ５１３を装着する。
【００２３】
光学デバイス５００の作動時には、ＶＣＳＥＬ（アレイ）を通して電流を加え、活性層１１１で光を生成する。光は、活性層１１１内で第１ミラー・スタック１０６と第２ミラー・スタック１１３間にて反射する。しかし、第１ミラー・スタック１０６は、部分的に光を通過させ、したがって生成された光は、ＶＣＳＥＬから基板１０１を後方に出射す。放射された光ビームは、レンズ５１３によってドープ・ガラス・レーザ・ディスク５１０に向かう。したがって、ＶＣＳＥＬが放射した光ビームはガラス・レーザ・ディスク５１０に集束し、それによってガラス・レーザ・ディスク５１０をポンピングして、光ビームを生成、放射させる。
【００２４】
ハウジング５０１の内部で固体マイクロチップ・レーザ・アセンブリ５０８の前方には、光学アセンブリ５１４がある。光学アセンブリ５１４は管状マウント５１５を含み、これは、アセンブリ５０８に近いその端部に隣接して光アイソレータ５１６を有する。管状マウント５１５の反対側の端部に近くで光視準レンズ５１７もその中に装着されている。フォトダイオード５１８がマウント５１５の壁の中で、光アイソレータ５１６と視準レンズ５１７の間にある。プラグ５１９が、視準レンズ５１７に隣接して、マウント５１８の他方端にある。プラグを通って単モード光ファイバ５２０が延在し、それに装着される。光ファイバ５２０の内端５２１は視準レンズ５１７と整列し、したがって視準レンズ５１７からの光を受け、デバイス５００の出力部として働く。光ファイバ５２０は、ハウジング５００の前壁５０５にある開口を通って延在し、それに固定される。
【００２５】
固体レーザ・ディスクによって生成される出力光ビームは、ＶＣＳＥＬ５０７によって放射される光の波長とは異なる波長であり、フィルタ５１２に向かう。ＶＣＳＥＬ５０７からの光の大部分はレーザ・ガラス・ディスク５１０をポンピングするが、ＶＣＳＥＬ５０７からの光の一部はガラス・ディスク５１０を通過し、これもフィルタ５１２に向かう。フィルタ５１２は、固体レーザ５１０から放射された光ビームは通過できるが、ＶＣＳＥＬ５０７からの光は全て遮断するよう設計されている。したがって、固体レーザ５１０からの光ビームのみがフィルタ５１２を通過する。
【００２６】
次に、固体レーザ５１０からの光ビームは光アイソレータ５１６に入る。光アイソレータ５１６は、固体レーザ５１０からの光ビームは通過させるが、光学デバイス５００の他のエレメントから反射した光のフィードバックは防止する任意の周知の構造でよい。光アイソレータ５１６を通過する光ビームは、次に視準レンズ５１７に入る。視準レンズ５１７は、光ビームを光ファイバ５２０の内端５２１に配向する。光は次に、光ファイバ５２０を通って光学デバイス５００を出て、データ通信または電気通信での使用など、所望の目的を実行する。フォトダイオード５１８は、マウント５１５内に装着され、固体マイクロチップ・レーザ５１０から放射された光ビームの出力を監視する働きをする。
【００２７】
上述したＶＣＳＥＬアレイは、直前に述べたレーザ・システムとの関連で使用すると、同様の従来のレーザ・システムと比較して、全体としてレーザ・システムのサイズおよび費用を大幅に削減できることが重要である。特に、（ヒート・シンク１１８によって）ＶＣＳＥＬアレイからのビーム出力のパワーが増加するので、ＶＣＳＥＬデバイスをレーザ・ポンプとして使用することができる。上述したように、ＶＣＳＥＬデバイスは、従来のポンピング機構よりはるかに安価で、小さく、生産が容易である。さらに、集積マイクロレンズを使用すれば、レーザ・システムのサイズで小さくし、費用の低減を可能とする。実際、上述した集積マイクロレンズがないと、ＶＣＳＥＬの物理的サイズは、図５および図６に示したものと同様のデバイスに実装するのを非常に困難にする。つまり、十分に短い焦点距離を有する外部レンズ（またはレンズ・システム）をレンズ５１３として使用すると、集束光の視準が困難となることが判明した。より長い焦点距離のレンズを使用すると、視準は改善されるが、放射された光ビームの発散のせいで、ガラス・レーザ・ディスク５１０にて十分に小さいスポット・サイズを獲得することが困難になる。したがって、集積マイクロレンズを含まないＶＣＳＥＬアレイを、図５および図６に示したような構成に使用することは、理論的には可能かもしれないが、このような実装は、サイズおよび困難さの点で非常に非実際的である。
【００２８】
このような実際的な障害は、上述した集積マイクロレンズを有するＶＣＳＥＬアレイを使用することにより、容易に克服される。つまり、開示されたアレイを使用すると、ガラス・レーザ・ディスク５１０のポンピングに外部レンズを配置し、使用する必要性が低下するか、必要なくなり、デバイスの費用、サイズおよび品質が全体として大幅に改善される。特に、上述した構成は、屈折マイクロレンズのアレイがＶＣＳＥＬアレイ出力ビームを集束させる働きをし、レンズ・システム５１３の各レンズが、対応する単一のＶＣＳＥＬデバイスの出力ビーム軸からずれていることは、ガラス・レーザ・ディスク５１０の効果的なポンピングにとって特に望ましい。
【００２９】
最後に、図７を参照すると、本発明の光学デバイスの別の実施形態が参照番号７００として図示され、波長可変出力ビームを提供するよう設計されている。光学デバイス７００は、ＶＣＳＥＬ１００またはＶＣＳＥＬアレイ３００／４００と同じＶＣＳＥＬ７０１を含む点で、図５および図６に示す光学デバイス５００と同様である。デバイス７００は、ＶＣＳＥＬ７０１からの光を固体レーザ・ディスク７０３に集束させる集束レンズ７０２も含む。固体レーザ・ディスク７０３は、固体レーザ・ディスク５１０と同様であるが、その両面の光学コーティングの特徴が異なり、熱伝導性のサブマウント７０５に装着されて放熱が良好な基板７０４に付着している。装着ブロック７０６には、電気的に、または圧電で駆動する薄いエタロン７０７または電気的に駆動する波長可変光学フィルタが装着される。レーザ出力結合器７０８も装着ブロック７０６に装着される。したがって広い波長の波長可変レーザは、エルビウムおよびイッテルビウムをドープし、両面に適切な光学コーティングがあるガラスなどのレーザ・ガラス・ゲイン媒質ディスク７０３、薄いエタロンまたは波長可変フィルタなどの波長選択デバイス７０７、および光結合器７０８で構成される。圧電駆動の薄いエタロン７０７または電気駆動の波長可変フィルタは、例えば１５３０〜１５７５ｎｍの波長範囲で、レーザの広い波長を調整するようになっている。レーザの出力からの光は、図５に示したのと同じ方法で光ファイバ（図示せず）に配向される。また、光学デバイス７００は、図５に示すようにハウジング（図示せず）に装着する。
【００３０】
したがって、本発明により、ＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイを使用して固体レーザをポンピングし、電気通信またはデータ通信のために光ファイバを通して光ビームを提供する光学デバイスが提供される。固体レーザは、光ファイバに配向される光ビームを生成して、放射する。ＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイは、基板に装着された半導体材料の本体を含み、半導体本体で生成された光が基板を通して放射される。基板は、１つの面に沿って形成されたレンズまたはレンズ・アレイを有し、これがＶＣＳＥＬによって放射された光を集束／視準する。ヒート・シンクは、ダイアモンドまたは他の熱伝導性が良好な材料であることが好ましく、基板から遠い方の半導体本体の側に装着され、半導体本体からの熱を伝導する。ヒート・シンクは、半導体本体の冷却を改善するよう、半導体本体の光を生成する部分付近に装着される。これによって、ＶＣＳＥＬをより高いバイアスで動作させ、ＶＣＳＥＬからのパワーを増大させることができる。
【００３１】
本発明を上記の実施形態に関して説明してきたが、これらの実施形態は例示のためにのみ設計され柄、本発明を制限するものではないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明で使用し、集積した屈折性マイクロレンズを有する単一ＶＣＳＥＬデバイスの断面図である。
【図２】
図２Ａは、本発明で使用し、ＶＣＳＥＬデバイスが放射したビームを集束する集積回折マイクロレンズを有する単一ＶＣＳＥＬデバイスの断面図である。
図２Ｂは、図２Ａで示したＶＣＳＥＬデバイスの底面図である。
【図３】
本発明のデバイスに使用することができ、平行ビーム出力のための集積回折マイクロレンズを含む典型的なＶＣＳＥＬアレイの断面図である。
【図４】
図３で図示され、集束ビーム出力のための集積屈折マイクロレンズを含むＶＣＳＥＬデバイスのアレイの断面図である。
【図５】
ハウジングのカバーを外した状態の本発明の出力デバイスの上面図である。
【図６】
図５の線６−６に沿って切り取った断面図である。
【図７】
本発明による波長可変レーザ・システムの概略図である。
Claims (29)
- 垂直キャビティ表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）デバイス内の構造で、
自身内に形成されたマイクロレンズを有する基板と、
前記基板上に形成された第１ミラー領域と、
前記第１ミラー領域上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２ミラー領域と、
前記第２ミラー領域上に形成されたヒート・シンクとを備える構造。 - さらに、
第２ミラー領域上の接触層と、
ヒート・シンクの第２ミラー領域に面する面上の層と、
金属層と接触層を結合する結合材料とを備える、請求項１に記載の構造。 - 前記ヒート・シンクがダイアモンドを備える、請求項１に記載の構造。
- マイクロレンズが、出力レーザ・ビームの発散を減少させる屈折または回折マイクロレンズである、請求項１に記載の構造。
- マイクロレンズが、出力レーザ・ビームを集束させる屈折または回折マイクロレンズである、請求項１に記載の構造。
- マイクロレンズが、基板に形成された複数の同心円の階段状構造を備える回折マイクロレンズである、請求項５に記載の構造。
- 基板上に配置された複数のＶＣＳＥＬデバイスを有し、各ＶＣＳＥＬデバイスが個々の出力レーザ・ビームを出力し、したがってＶＣＳＥＬデバイス・アレイが個々の出力レーザ・ビームで構成された合成出力レーザ・ビームを出力するＶＣＳＥＬデバイスアレイにて、複数のＶＣＳＥＬデバイスのサブセットの各部材内にある構造で、
前記基板内に形成されたマイクロレンズと、
前記基板上に形成された第１ミラー領域と、
前記第１ミラー領域上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２ミラー領域と、
前記第２ミラー領域上に形成されたヒート・シンクとを備える構造。 - さらに、
第２ミラー領域上の接触層と、
ヒート・シンクの第２ミラー領域に面する表面上の金属層と、
金属層と接触層を結合する結合材料とを備える、請求項７に記載のＶＣＳＥＬデバイス・アレイ内の構造。 - ヒート・シンクがダイアモンドを備える、請求項７に記載のＶＣＳＥＬデバイス・アレイ内の構造。
- マイクロレンズが、個々の出力レーザの発散を減少させる屈折マイクロレンズであり、それによって合成出力レーザ・ビームの発散を減少させる、請求項７に記載のＶＣＳＥＬデバイス・アレイ内の構造。
- マイクロレンズ・アレイがＶＣＳＥＬデバイスの個々の出力ビームを集束させ、それによってＶＣＳＥＬデバイス・アレイの合成出力レーザ・ビームを集束させる、請求項７に記載のＶＣＳＥＬデバイス・アレイ内の構造。
- マイクロレンズ・アレイがＶＣＳＥＬデバイス・アレイの合成出力ビームの発散を１°未満まで減少させ、それによってＶＣＳＥＬアレイの合成出力ビームを視準する、請求項７に記載のＶＣＳＥＬデバイス。
- レーザ・システムで、
自身内に形成され、それに組み込まれるレンズ・システムを含む少なくとも１つのレーザ・ダイオードと、
前記少なくとも１つのレーザ・ダイオードと光学的に結合して、そこからの出力を受けるドープ・ガラス・レーザ・マイクロチップとを備えるレーザ・システム。 - 前記ドープ・ガラス・レーザ・マイクロチップが、Ｅｒ：Ｙｂをドープしたガラス・レーザ・マイクロチップである、請求項１３に記載のレーザ・システム。
- さらに、
前記出力レーザ・ビームの所望の波長を選択する選択手段と、
前記出力レーザ・ビームを部分的に反射し、部分的に透過させる光学結合器とを備える、請求項１３に記載のレーザ・システム。 - 前記選択手段が、電気または圧電駆動の薄いエタロンを備える、請求項１５に記載のレーザ・システム。
- 前記選択手段が、電気駆動の波長可変光学フィルタを備える、請求項１５に記載のレーザ・システム。
- 前記少なくとも１つのレーザ・ダイオードがＶＣＳＥＬデバイスを備える、請求項１３に記載のレーザ・システム。
- 前記ＶＣＳＥＬデバイスが、
自身内に形成されたマイクロレンズを有する基板と、
前記基板上に形成された第１ミラー領域と、
前記第１ミラー領域上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２ミラー領域と、
前記第２ミラー領域上に形成されたヒート・シンクとを備える、請求項１８に記載のレーザ・システム。 - 前記ＶＣＳＥＬデバイスが、さらに、
第２ミラー領域上の接触層と、
ヒート・シンクの第２ミラー領域に面する表面上の金属層と、
金属層と接触層を結合する結合材料とを備える、請求項１９に記載のレーザ・システム。 - 前記ヒート・シンクがダイアモンドを備える、請求項１９に記載のレーザ・システム。
- マイクロレンズが、ダイオード・レーザ・ビームの発散を減少させる屈折または回折マイクロレンズである、請求項１９に記載のレーザ・システム。
- マイクロレンズが、ダイオード・レーザ・ビームを集束する屈折または回折マイクロレンズである、請求項１９に記載のレーザ・システム。
- 少なくとも１つのダイオードが、基板上に対称に配置された複数のＶＣＳＥＬデバイスを含むＶＣＳＥＬデバイス・アレイを備え、各ＶＣＳＥＬデバイスが個々の出力レーザ・ビームを出力し、したがってＶＣＳＥＬデバイス・アレイが、個々の出力レーザ・ビームで構成されたダイオード・レーザ・ビームを出力し、さらに前記ＶＣＳＥＬデバイスがそれぞれ、
自身内に形成されたマイクロレンズを有する基板と、
前記基板上に形成された第１ミラー領域と、
前記第１ミラー領域上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２ミラー領域と、
前記第２ミラー領域上に形成されたヒート・シンクとを備える、請求項１３に記載のレーザ・システム。 - 各マイクロレンズが、個々の出力レーザ・ビームの一次軸上に整列した屈折マイクロレンズであり、さらに各マイクロレンズが個別出力レーザ・ビームそれぞれの発散を減少させ、それによってダイオード・レーザ・ビームの発散を減少させる、請求項２４に記載のレーザ・システム。
- 各マイクロレンズが、個々の出力レーザ・ビームの一次軸上で整列した屈折マイクロレンズであり、さらに各マイクロレンズが個別出力ビームを中心点に集束させ、それによってダイオード・レーザ・ビームを集束させる、請求項２４に記載のレーザ・システム。
- 前記レンズ・システムが、ＶＣＳＥＬデバイス・アレイの中心に向かう方向に、個別出力レーザ・ビームの一次軸からずれ、それによってダイオード・レーザ・ビームを漸進的に集束させる外部レンズを含む、請求項２６に記載のレーザ・システム。
- 各マイクロレンズが、個別出力レーザ・ビームの一次軸上に整列した屈折マイクロレンズであり、さらにマクロレンズがＶＣＳＥＬデバイス・アレイの合成出力ビームの発散を１°未満に減少させ、それによってダイオード・レーザ・ビームを視準する、請求項２４に記載のレーザ・システム。
- レーザ・ビームを生成して放射する方法で、
レーザ・ダイオード内でダイオード・レーザ・ビームを生成することと、
レーザ・ダイオードから、レーザ・ダイオードの基板内に集積されたマイクロレンズを通してダイオード・レーザ・ビームを放射することと、
マイクロレンズを備えるレンズ・システムで、ダイオード・レーザ・ビームをドープ・ガラス・レーザ・マイクロチップに集束させることと、
前記ダイオード・レーザ・ビームで前記ドープ・ガラス・レーザ・マイクロチップをポンピングすることと、
前記ドープ・ガラス・マイクロチップ・レーザ内で出力レーザ・ビームを生成することと、
前記出力レーザ・ビームを放射することとを含む方法。
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