JP2007073934A

JP2007073934A - エンドポンピング垂直外部共振型の表面発光レーザー

Info

Publication number: JP2007073934A
Application number: JP2006202298A
Authority: JP
Inventors: Ki-Sung Kim; 起成金; Taku Kin; 金　澤
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2007-03-22
Also published as: US20090213893A1; US20070058688A1; KR20070027232A

Abstract

【課題】エンドポンピング垂直外部共振型の表面発光レーザーを提供する。
【解決手段】透明基板、透明基板の一の面側にポンピングビームを照射するように設置される光学ポンプ、透明基板の他面上に第１光透過性絶縁物質から形成されるものであり、ポンピングビームの入射損失を減らす第１非反射コーティング層、第１非反射コーティング層上に形成された分散ブラッグ反射器層、分散ブラッグ反射器層上に形成された周期的な利得層、及び周期的な利得層に対向して設置される外部共振ミラーを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、垂直外部共振型の表面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ：ＶｅｒｔｉｃａｌＥｘｔｅｒｎａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ）素子に係り、より詳細には、ＶＥＣＳＥＬ素子の駆動時にポンピングビームの入射損失を減らすように、その構造が改善されたＶＥＣＳＥＬ素子に関する。

垂直共振器型の面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ）は、非常に狭いスペクトルの単一縦モード発振をするだけでなく、ビームの放射角が小さくて、接続効率が高く、面発光の構造上、他の装置の集積が容易などの特徴があって、ポンプ光源（ＰｕｍｐＬＤ）に適している。

しかし、従来のＶＣＳＥＬは、通常の単一横モード動作のためには、発振領域の面積が１０μｍ以下でなければならず、このような場合でさえ、光出力の増加による熱的レンズ効果などの影響によって、多重モード状態に変わるため、単一横モードとして最大出力は、一般的に５ｍＷ以上を超えることができない。

前述したＶＣＳＥＬの利点を生かし、かつ高出力動作を具現するために提示された新しい装置がＶＥＣＳＥＬである。前記ＶＥＣＳＥＬは、上部反射層（ＵｐｐｅｒＤＢＲ）を外部反射装置（ＥｘｔｅｒｎａｌＭｉｒｒｏｒ）に代替することによって、利得領域を増大させることができるので、１００ｍＷ以上の出力を得ることができる。近年、表面発光レーザーが側面発光に比べて利得体積が小さくて、十分な利得を得難いという欠点を最大限に補完するために、周期的にＱＷ（ＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）が配置される周期的利得構造のＶＥＣＳＥＬ素子が開発された。また、電気的ポンピングでは、大きい面積に均一なキャリア注入をするのに限界があるため、高出力を得るために、光学的ポンピングを通じて広い面積を均一にポンピングする構造のＶＥＣＳＥＬ素子が開発された。

図１は、従来のエンドポンピングＶＥＣＳＥＬ素子の概略的な断面図であり、図２は、図１のＶＥＣＳＥＬ素子でポンピングビームの波長による分散ブラッグ反射器層（ＤＢＲ）の反射率を示すグラフである。

図１を参照すれば、従来のＶＥＣＳＥＬは、透明基板１０、透明基板１０上に順次に積層された分散ブラッグ反射器層（ＤＢＲ：ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒｌａｙｅｒ）１６と周期的な利得層（ｐｅｒｉｏｄｉｃｇａｉｎｌａｙｅｒ）１８、透明基板１０にポンピングビームを照射するように設置される光学ポンプ２０、及び前記周期的な利得層１８に対向して設置される外部共振ミラー３０を備える。

上記構造の従来ＶＥＣＳＥＬ素子によれば、ＤＢＲ１６の界面で入射されるポンピングビームの３０％以上が反射されて、利得領域に入射されるポンピング効率が７０％程度で比較的に低い。図２を参照すれば、８０８ｎｍ波長のポンピングビームの場合、ＤＢＲ界面で３０％程度が反射されることを示す。このようにＤＢＲ界面で、入射されるポンピングビームの反射は、利得効率を減少させてレージング効率を低下させるという問題がある。したがって、ポンピングビームの入射損失を減らしてポンピング効率を増大させる構造を有するＶＥＣＳＥＬ素子の開発が要求されている。

本発明は、前記問題を解決するために成されたものであり、ＶＥＣＳＥＬ素子の駆動時にポンピングビームの入射損失を減らすように、その構造が改善されたＶＥＣＳＥＬ素子を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明に係るＶＥＣＳＥＬ素子は、透明基板と、前記透明基板の一の面側にポンピングビームを照射するように設置される光学ポンプと、前記透明基板の他の面上に第１光透過性絶縁物質から形成され、前記ポンピングビームの入射損失を減らす第１非反射コーティング層と、前記第１非反射コーティング層上に形成された分散ブラッグ反射器層と、前記分散ブラッグ反射器層上に形成された周期的な利得層と、前記周期的な利得層に対向して設置される外部共振ミラーと、を備える。

ここで、前記第１光透過性絶縁物質は、前記分散ブラッグ反射器層の屈折率と異なる屈折率を有する全ての物質を含み、前記第１非反射コーティング層は、単一層または二重層構造で形成されることができる。望ましくは、前記単一層の第１非反射コーティング層は、前記ポンピングビーム波長λの１／４の厚さに形成される。前記ポンピングビームの波長λは、７００ｎｍ〜９００ｎｍ範囲にある。

そして、前記二重層の第１非反射コーティング層は、屈折率ｎ_１を有する第１物質層と、前記屈折率ｎ_１と異なる屈折率ｎ_２を有する第２物質層とを備え、前記第１非反射コーティング層は、前記分散ブラッグ反射器層と第１非反射コーティング層との界面で前記ポンピングビームに対する反射率が５％以内になる条件を満足する厚さに形成される。

前記界面でポンピングビームの反射率ρは、下記の数式(１)を満足する。

ここで、η_０は、入射層の有効光学アドミタンス、Ｂは、前記界面で電場、Ｃは、前記界面で磁場、Ｙは、分散ブラッグ反射器層の光学アドミタンスである。

そして、前記ＢとＣは、下記の数式(２)を満させる。

ここで、δ_ｉは光学位相厚さ、Ｙ_ｋは、分散ブラッグ反射器層の光学アドミタンス、η_１及びη_２は、それぞれ第１及び第２物質層の有効光学アドミタンス、θ_ｉは、入射角、λは、ポンピングビームの波長、ｄ_１及びｄ_２は、それぞれ第１及び第２物質層の厚さ、ｎ_１及びｎ_２は、それぞれ第１及び第２物質層の屈折率である。

望ましくは、前記第１非反射コーティング層は、前記透明基板の裏面上に順次に積層された１６１ｎｍ厚さのＴｉＯ_２層及び２０２ｎｍ厚さのＳｉＯ_２層を備える。また、前記第１非反射コーティング層は、前記透明基板の裏面上に順次に積層された１００ｎｍ厚さのＧａＡｓ層及び１３０ｎｍ厚さのＡｌ_０．８ＧａＡｓ層を備える。

前記分散ブラッグ反射器層は、交互に積層されるＡｌＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層を備える。そして、前記透明基板は、ＳｉＣ基板、ダイアモンド基板、ＡｌＮ基板、及びＢｅＯ基板からなる群から選択されたいずれか一つである。

望ましくは、前記透明基板の一面上に第２光透過性絶縁物質から形成されて、前記ポンピングビームの入射損失を減らす第２非反射コーティング層がさらに設けられる。ここで、前記第２光透過性絶縁物質は、ＳｉＯ_２またはＴｉＯ_２であり、前記第２非反射コーティング層は、前記ポンピングビーム波長λの１／４の厚さに形成される。

本発明によれば、ＶＥＣＳＥＬ素子の駆動時にポンピングビームの入射損失が減り、ポンピング効率が増大しうる。具体的に、光ポンピング表面発光レーザーにおいて、ポンピングビームが入射される時、分散ブラッグ反射器層（ＤＢＲ）の界面での反射率が従来３０％から５％以内に低下することによって、ポンピングビームの透過率が最大化されて、利得領域に入射されるポンピング効率が従来７０％から９５％以上に増大しうる。したがって、利得領域で光抽出及びレージング効率が大きく向上し、前記ＶＥＣＳＥＬ素子の光出力がさらに高くなる。

以下、本発明係るＶＥＳＥＬ素子の望ましい実施形態を、添付された図面を参照して詳細に説明する。この過程で図面に図示された層や領域などの厚さは、明細書の明確性のために誇張して図示されている。

図３は、本発明の第１実施形態によるＶＥＣＳＥＬ素子の概略的な断面図である。

図３を参照すれば、本実施の形態に係るＶＥＣＳＥＬ素子は、透明基板１００、透明基板１００の一の面側にポンピングビームを照射するように設置される光学ポンプ２００、透明基板１００の他の面上に順次に積層された第１非反射コーティング層（ＡＲＣ：Ａｎｔｉ−ＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＣａｌｔｉｎｇｌａｙｅｒ）１０４、分散ブラッグ反射器層（ＤＢＲ：ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎｌａｙｅｒ）１１６、及び周期的な利得層１１８、そして周期的な利得層１１８に対向して設置される外部共振ミラー３００を備える。ここで、透明基板１００は、ＳｉＣ基板、ダイアモンド基板、ＡｌＮ基板、及びＢｅＯ基板からなる群から選択されたいずれか一つである。そして、分散ブラッグ反射器層１１６は、交互に積層されるＡｌＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層を備え、周期的な利得層１８は、多重量子ウェル（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−ＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）構造を有する。分散ブラッグ反射器層１１６及び周期的な利得層１８の構造、形成物質、形成方法は、公知であるので、その詳細な説明は省略する。ポンピングビームの波長λは、７００ｎｍ〜９００ｎｍ範囲にある。なお、「周期的な利得層（ｐｅｒｉｏｄｉｃｇａｉｎｌａｙｅｒ）」とはレーザー素子の発光効率を高めるため、反復周期的にバリア層（ｂａｒｒｉｅｒｌａｙｅｒ）とＱＷ層（ｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌｌａｙｅｒ）とを積層することにより、利得領域（ｇａｉｎｖｏｌｕｍｅ）を十分に増加させた多重ウェル構造の利得層（ｇａｉｎｌａｙｅｒ）を意味する。

第１非反射コーティング層１０４は、単一層または二重層構造で形成さる。また、第１非反射コーティング層１０４は、第１光透過性絶縁物質から形成されて、前記ポンピングビームの入射損失を減らす。ここで、前記第１光透過性絶縁物質は、分散ブラッグ反射器層１１６の屈折率と異なる屈折率を有する全ての物質を含む。このような第１光透過性絶縁物質の例として、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＧａＡｓ、及びＡｌ_０．８ＧａＡｓなどがある。単一層構造の第１非反射コーティング層は、前記ポンピングビーム波長λの１／４の厚さに形成されることが望ましい。

そして、二重層構造の第１非反射コーティング層１０４は、ｎ_１の屈折率を有する第１物質層１０２と、ｎ_２（ｎ_２≠ｎ_１）の屈折率を有する第２物質層１０３とを備え、この場合、第１非反射コーティング層１０４は、分散ブラッグ反射器層１１６と第１非反射コーティング層１０４との界面で前記ポンピングビームに対する反射率が５％以内になる条件を満足する厚さに形成される。ここで、ｎ_１とｎ_２との屈折率差が大きいことが望ましい。

このような条件を満足する第１物質層１０２の厚さｄ_１と第２物質層１０３の厚さｄ_２とを得るために、次の数式が展開されうる。まず、前記分散ブラッグ反射器層１１６と第１非反射コーティング層１０４との界面でポンピングビームの反射率ρは、下記の数式(３)で表現することができる。

ここで、η_０は、入射層（基板）の有効光学アドミタンス（ＴＥ偏光に対してη_０＝ｎ_０ｃｏｓθ_０、ＴＭ偏光に対してη_０＝ｎ_０／ｃｏｓθ_０）、ｎ_０は、入射層（基板）の屈折率、θ_０は、入射層（基板）に対するポンピングビームの入射角、Ｂは、前記界面における電場、Ｃは、前記界面における磁場、Ｙは、分散ブラッグ反射器層の光学アドミタンスである。

そして、前記Ｂと前記Ｃとは、下記の数式(４)で表現されうる。

ここで、δ_１及びδ_２は、それぞれ第１物質層及び第２物質層の光学位相厚さ、Ｙ_ｋは分散ブラッグ反射器層の光学アドミタンス、η_１及びη_２は、それぞれ第１物質層及び第２物質層の有効光学アドミタンス、θ_１及びθ_２は、それぞれ第１物質層及び第２物質層でポンピングビームの入射角、λはポンピングビームの波長、ｄ_１及びｄ_２は、それぞれ第１物質層及び第２物質層の厚さ（ｎｍ）、ｎ_１及びｎ_２は、それぞれ第１物質層及び第２物質層の屈折率である。

数式(３)と数式(４)において、分散ブラッグ反射器層の光学アドミタンスは、Ｙ＝Ｙ_ｋ＝Ｈ_ｘ／Ｅ_ｙ（ＴＥ偏光に対して）またはＹ＝Ｙ_ｋ＝Ｈ_ｙ／Ｅ_ｘ（ＴＭ偏光に対して）として定義され、ここで、Ｈは磁場、Ｅは電場である。前記ＨおよびＥを求める方法は、公知されている。具体的に、前記分散ブラッグ反射器層１１６と第１非反射コーティング層１０４との界面で入射される電場Ｅ_０ ^＋と反射される電場Ｅ_０ ⁻は、下記の数式（５）で表現されうる。ここで、前記分散ブラッグ反射器層１１６は、ｎ_３の屈折率を有する第３物質層１１６ａと、ｎ_４（ｎ_４≠ｎ_３）の屈折率を有する第４物質層１１６ｂが繰り返して交互に積層されて形成されたものである。

ここで、Ｋは、分散ブラッグ反射器層全体に進行する波動ベクトル、ｋ_３及びｋ_４は、それぞれ第３物質層及び第４物質層で波動ベクトルのｚ成分、ξ_３及びξ_４は、それぞれ第３物質層及び第４物質層の偏光特性変数、ωは、角振動数、ｃは、光速度（ＴＥ偏光に対してｃ＝１、ＴＭ偏光に対してｃ＝ｎｉ^２、ここでｉ＝３または４）、ｄ_３及びｄ_４は、それぞれ第３物質層及び第４物質層の厚さ（ｎｍ）である。

同様に、分散ブラッグ反射器層１１６と第１非反射コーティング層１０４との界面で入射される磁場Ｈ_０ ^＋及び反射される磁場Ｈ_０ ⁻をＭａｘｗｅｌｌ方程式を利用して、数式（５）のような方法で表現される。したがって、このような過程を通じて、分散ブラッグ反射器層１１６の光学アドミタンスを得ることができる。

分散ブラッグ反射器層１１６と第１非反射コーティング層１０４との界面でポンピングビーム（入射ビーム）の反射率ρを０とするためには、数式（３）、数式(４)、及び数式(５)から、η_０＝Ｃ／Ｂ＝Ｙ_ｋの条件が満足されなければならない。したがって、ｎ_１屈折率を有する第１物質層とｎ_２屈折率を有する第２物質層との組合せに対して、それぞれの物質層の厚さｄ_１及びｄ_２を決定することができる。

第１実施形態において、第１非反射コーティング層１０４は、順次に積層されたｄ_１＝１６１ｎｍ厚さのＴｉＯ_２層１０２と、ｄ_２＝２０２ｎｍ厚さのＳｉＯ_２層１０３を含む。ここで、ＴｉＯ_２及びＳｉＯ_２の屈折率は、それぞれ２．１と１．４５である。

前記のような構成を有する本発明によれば、ポンピングビームが入射される時、分散ブラッグ反射器層（ＤＢＲ）の界面での反射率が従来の３０％から５％以内に低下することによって、ポンピングビームの透過率が最大化となり、本発明で利得領域に入射されるポンピング効率が従来の７０％から９５％以上に増大する。したがって、利得領域で光抽出及びレージング効率が大きく向上し、前記ＶＥＣＳＥＬ素子の光出力がより高くなる。

図４は、図３のＶＥＣＳＥＬ素子においてポンピングビームの波長による分散ブラッグ反射器層（ＤＢＲ）の反射率を示すグラフ（グラフ１）である。ここで、従来のＶＥＣＳＥＬ素子においてＤＢＲの反射率を示すグラフ（グラフ２）が共に比較された。第１実施形態によって第１非反射コーティング層が最適化されて設計された場合、分散ブラッグ反射器層（ＤＢＲ）の界面での反射率が２％以内に低下することが分かる。

図５は、本発明の第２実施形態に係るＶＥＣＳＥＬ素子の概略的な断面図である。ここで、第１実施形態と同じ構成要素については、重複する記載を避けるため、説明を省略し、同じ参照番号をそのまま使用する。

図５を参照すれば、第２実施形態で第１非反射コーティング層１１４は、順次に積層されたｄ_１＝１００ｎｍ厚さのＧａＡｓ層１１２と、ｄ_２＝１３０ｎｍ厚さのＡｌ_０．８ＧａＡｓ層１１３とを備える。そして、透明基板１００の一の面上に第２光透過性物質から形成され、ポンピングビームの入射損失を減らす第２非反射コーティング層１２０がさらに設けられる。ここで、第２光透過性絶縁物質は、ＳｉＯ_２またはＴｉＯ_２である。第２非反射コーティング層１２０は、前記ポンピングビーム波長λの１／４の厚さに形成されることが望ましい。

図６は、図５のＶＥＣＳＥＬ素子においてポンピングビームの波長による分散ブラッグ反射器層（ＤＢＲ）の反射率を示すグラフ（グラフ１）である。ここで、従来のＶＥＣＳＥＬ素子においてＤＢＲの反射率を示すグラフ（グラフ２）と比較する。第２実施形態によって、第１非反射コーティング層が最適化されて設計された場合、分散ブラッグ反射器層（ＤＢＲ）の界面での反射率が２％以内に低下することが分かる。

以上のように、本発明の理解を助けるために、いくつかの模範的の実施形態を添付された図面を参照しつつ説明したが、このような実施形態は、単に例示的なものに過ぎない。したがって、本発明は、図示及び説明された構造と配列に限定されないという点とが理解されなければならない。

本発明は、ＶＥＣＳＥＬ素子及びその製造方法に用いられる。

従来のエンドポンピングＶＥＣＳＥＬ素子の概略的な断面図である。図１のＶＥＣＳＥＬ素子においてポンピングビームの波長による分散ブラッグ反射器層（ＤＢＲ）の反射率を示すグラフである。本発明の第１実施形態に係るＶＥＣＳＥＬ素子の概略的な断面図である。図３のＶＥＣＳＥＬ素子においてポンピングビームの波長によるＤＢＲの反射率を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係るＶＥＣＳＥＬ素子の概略的な断面図である。図５のＶＥＣＳＥＬ素子においてポンピングビームの波長によるＤＢＲの反射率を示すグラフである。

符号の説明

１００透明基板、
１０２第１物質層、
１０３第２物質層、
１０４第１非反射コーティング層、
２００光学ポンプ、
１１６分散ブラッグ反射器層、
１１６ａ第３物質層、
１１６ｂ第４物質層、
１１８周期的な利得層、
３００外部共振ミラー。

Claims

透明基板と、
前記透明基板の一の面側にポンピングビームを照射するように設置される光学ポンプと、
前記透明基板の他の面上に第１光透過性絶縁物質から形成され、前記ポンピングビームの入射損失を減らす第１非反射コーティング層と、
前記第１非反射コーティング層上に形成された分散ブラッグ反射器層と、
前記分散ブラッグ反射器層上に形成された周期的な利得層と、
前記周期的な利得層に対向して設置される外部共振ミラーと、
を備えることを特徴とするＶＥＣＳＥＬ素子。
前記第１光透過性絶縁物質は、前記分散ブラッグ反射器層の屈折率とは異なる屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
前記第１非反射コーティング層は、単一層または二重層構造で形成されたことを特徴とする請求項２に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
前記単一層の第１非反射コーティング層は、前記ポンピングビーム波長λの１／４の厚さに形成されたことを特徴とする請求項３に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
前記二重層の第１非反射コーティング層は、屈折率ｎ_１を有する第１物質層と、
前記屈折率ｎ_１と異なる屈折率ｎ_２を有する第２物質層と、
を備えることを特徴とする請求項３に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
前記第１非反射コーティング層の厚さは、前記分散ブラッグ反射器層と前記第１非反射コーティング層との界面で前記ポンピングビームに対する反射率ρが５％以内になる条件を満足する厚さに形成されたことを特徴とする請求項５に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
前記界面におけるポンピングビームの反射率ρは、下記の数式を満足することを特徴とする請求項６に記載のＶＥＣＳＥＬ素子：

ここで、η_０は前記入射層の有効光学アドミタンス、Ｂは前記界面で電場、Ｃは前記界面で磁場、Ｙは光学アドミタンスである。
前記ＢとＣは、下記の数式を満足することを特徴とする請求項７に記載のＶＥＣＳＥＬ素子：

ここで、δ_ｉは光学位相厚さ、Ｙ_ｋは前記分散ブラッグ反射器層の光学アドミタンス、η_１及びη_２はそれぞれ前記第１物質層及び前記第２物質層の有効光学アドミタンス、θ_ｉは入射角、λは前記ポンピングビームの波長、ｄ_１及びｄ_２は前記第１物質層及び前記第２物質層の厚さ、ｎ_１及びｎ_２はそれぞれ前記第１物質層及び前記第２物質層の屈折率である。
前記第１非反射コーティング層は、前記透明基板の裏面上に順次に積層された１６１ｎｍ厚さのＴｉＯ_２層と２０２ｎｍ厚さのＳｉＯ_２層と、を備えることを特徴とする請求項８に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
前記第１非反射コーティング層は、前記透明基板の裏面上に順次に積層された１００ｎｍ厚さのＧａＡｓ層と１３０ｎｍ厚さのＡｌ_０．８ＧａＡｓ層と、を備えることを特徴とする請求項８に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
前記分散ブラッグ反射器層は、交互に積層されるＡｌＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層を備えることを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
前記透明基板は、ＳｉＣ基板、ダイアモンド基板、ＡｌＮ基板、及びＢｅＯ基板からなる群から選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
前記透明基板の一の面上に第２光透過性絶縁物質から形成され、前記ポンピングビームの入射損失を減らす第２非反射コーティング層がさらに設けられたことを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
前記第２光透過性絶縁物質は、ＳｉＯ_２またはＴｉＯ_２であることを特徴とする請求項１３に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
前記第２非反射コーティング層は、前記ポンピングビーム波長λの１／４の厚さに形成されたことを特徴とする請求項１４に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
前記ポンピングビームの波長λは、７００ｎｍ〜９００ｎｍ範囲であることを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。