JP2007158308A - 垂直外部共振器型面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】構造が単純化でコストを削減できる垂直外部共振器型面発光レーザを提供する。
【解決手段】所定波長のビームを放出する活性層（１０２）と前記活性層で発生したビームを外部に反射する反射層（１０１）からなる重層構造を有する半導体チップ（１０３）と、前記活性層に対向し、前記活性層から所定距離をおいて配置され、前記活性層から放出されたビームを前記反射層との間で反復的に反射させることによりビームを増幅させ、増幅されたビームを前記活性層に対向する方向に対し反対方向へ出力する外部ミラー（１２０）と、前記活性層に照射され、前記活性層を励起させるためのポンプビームを供給するポンプレーザ（１０５）と、前記半導体チップと前記外部ミラーとの間に配置されて、活性層から放出されたビームの波長を変換させる二次高調波発生素子（１１５）と、前記二次高調波発生素子に接合された半導体フィルタ（１１０）とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）に係り、より詳しくは、構造が簡単でコストの削減を実現する垂直外部共振器型面発光レーザに関する。

ビームが基板に垂直な方向に放出される垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、狭いスペクトルの単一縦モード発振が可能であり、ビームの放射角が小さくて結合効率が高い。そして、面発光の構造上異なる装置への集積が容易であってポンピング用光源として適する。しかしながら、ＶＣＳＥＬは、光出力の増加による熱的レンズ効果などによって多重モード状態にかわるので、単一横モード発振が側面発光レーザに比べて非常に難しく、単一横モード出力が弱いという短所がある。

前述したＶＣＳＥＬの長所を生かし、同時に高出力を実現するためのレーザ素子として、垂直外部共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ；以下、ＶＥＣＳＥＬ）がある。前記垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）は、前記垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の内部にある上部ミラーを外部ミラーに代替して利得領域を増大させることによって、数〜数十Ｗ以上の高出力を得るレーザ素子である。

図１は、一般的な垂直外部共振器型面発光レーザの概略的な構造を示すものであり、半導体チップ１３の前方でポンプビームを供給するポンプレーザ１５を備えた前方光ポンピング方式のレーザである。前記前方光ポンピング方式の垂直外部共振器型面発光レーザ１０は、ヒートシンク１４上に順次に積層された分布ブラッグ反射層（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；ＤＢＲ）１１と活性層１２とを有する半導体チップ１３、前記半導体チップ１３と所定の間隔を置いて対向する外部ミラー２０を備える。前記ポンプレーザ１５と半導体チップ１３との間には、ポンプレーザ１５で放出されるポンプビームを集光させるレンズ１６が配置される。

また、活性層１２と外部ミラー２０との間には、出力される光の周波数を２倍にする二次調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ＳＨＧ）素子１８と、二次調波発生効率を高めるための複屈折フィルタ１７とが配置される。前記複屈折フィルタ１７は、線幅が狭い単一波長の選択性を満足させて光変換効率を増大させる。

一方、前記活性層１２は、例えば、ＲＰＧ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｇａｉｎ）構造を有する多重量子ウェル構造であり、ポンプビームによって励起されて所定の波長λ_２を有するビームを放出する。ポンプレーザ１５は、前記活性層１２で放出されるビームの波長より短い波長λ_１のポンプビームを前記活性層１２に入射させて活性層１２を励起させる役割を果たす。

このような構造で、ポンプレーザ１５で放出された相対的に短い波長λ_１のポンプビームが活性層１２に入射すれば、前記活性層１２が励起されながら特定波長λ_２のビームを放出する。このように発生したビームは、分布ブラッグ反射層１１と外部ミラー２０との間で反射を繰り返しながら活性層１２を往復する。この過程を通じて前記活性層１２内で増幅されたビームの一部は外部ミラー２０を通じて外部に出力される。前記活性層１２から放出された多重縦モードビームは、前記複屈折フィルタ１７を通じて線幅が狭い単一モードのビームにフィルタリングされる。このようにフィルタリングされたビームの波長は、前記二次高調波発生素子１８を通じて変換される。例えば、赤外線領域のビームが可視光線領域のビームに変換されて出力される。

複屈折フィルタ１７を使用する場合、共振する光の偏光状態と波長とを選択して使用するために、必然的に進行光の主経路について一定角度を維持した状態でフィルタを設けなければならないので、設置空間を多く占める。また、複屈折フィルタ１７は、高コストで製造工程が複雑であり、偏光による整列を行わなければならないので、整列のための治具が必要であり、ＶＥＳＣＥＬの全体的な嵩が大きくなる問題点がある。また、二次高調波発生素子１８は、温度に敏感で温度制御を行わなければならないが、ＳＨＧ結晶の温度に合わせて複屈折フィルタ１７の温度も制御しなければならないため、温度制御作業が複雑であるという短所がある。

本発明の技術的課題は、構造を単純化することにより、コストを低減し、実装が簡便である垂直外部共振器型面発光レーザを提供するところにある。

前記技術的課題を達成するために、本発明による垂直外部共振器型面発光レーザは、所定波長のビームを放出する活性層と、前記活性層で発生したビームを外部に反射する反射層からなる重層構造を有する半導体チップと、前記活性層に対向し、前記活性層から所定距離をおいて配置され、前記活性層から放出されたビームを前記反射層との間で反復的に反射させることによりビームを増幅させ、増幅されたビームを前記活性層に対向する方向に対し反対方向へ出力する外部ミラーと、前記活性層に照射され、前記活性層を励起させるためのポンプビームを供給するポンプレーザと、前記半導体チップと前記外部ミラーとの間に配置されて活性層から放出されたビームの波長を変換させる二次高調波発生素子と、前記二次調波発生素子に接合された半導体フィルタとを備えることを特徴とする。

前記技術的課題を達成するために、本発明による垂直外部共振器型面発光レーザは、所定波長のビームを放出する活性層と、前記活性層で発生したビームを外部に反射する反射層からなる重層構造を有する半導体チップと、前記活性層に対向し、前記活性層から所定距離をおいて配置され、前記活性層から放出されたビームを前記反射層との間で反復的に反射させることによりビームを増幅させ、増幅されたビームを前記活性層に対向する方向に対し反対方向へ出力する外部ミラーと、前記活性層に照射され、前記活性層を励起させるためのポンプビームを供給するポンプレーザと、前記半導体チップと前記外部ミラーとの間に配置されて活性層から放出されたビームの波長を変換させる二次高調波発生素子と、前記二次調波発生素子に接合された誘電体フィルタと、を備えることを特徴とする。

前記反射層は、屈折率が相異なる２層の半導体層を交互に反復して積層した複層構造の分布ブラッグ反射層でありうる。

前記半導体層のそれぞれの厚さは、発振ビームの波長の１／４でありうる。

前記活性層は、ビームを生成する複数の量子ウェル層を備え、それぞれの量子ウェル層は、前記外部ミラーと反射層との間でビームが共振して発生する定常波のアンチノードに設けられることがある。

前記半導体フィルタは、選択波長で３０％以上の透過率を有し、線幅は、０より大きくて１０ｎｍ以下の範囲を有することがある。

前記誘電体フィルタは、選択波長で３０％以上の透過率を有し、線幅は、０より大きくて１０ｎｍ以下の範囲を有することがある。

前記半導体フィルタは、基板上に屈折率が異なる第１半導体層及び第２半導体層を交互に反復して積層した構造を有する。

前記第１半導体層は、相対的に低い屈折率を有するＡｌＡｓ層であり、第２半導体層は、相対的に高い屈折率を有するＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層でありうる。

前述したように、本発明による垂直外部共振器型面発光レーザは、波長選択性が高く、製造が容易な半導体フィルタまたは誘電体フィルタを備えて光変換効率を高め、レーザ構造を単純化できる。また、フィルタが二次高周波発生素子に接合されて設けられるため治具のような周辺機構が不要であるため、嵩を小さくすることや、コストを削減することができるだけでなく、フィルタの温度制御のための別途の装置を付加する必要がない。

以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態による垂直外部共振器型面発光レーザについて詳細に説明する。図面に示す層や領域の厚さや大きさは説明の便宜と明確性のため誇張されるように示した。

本発明による面発光レーザ１００は、図２を参照すれば、所定波長のビームを放出する半導体チップ１０３と、前記半導体チップ１０３にポンプビームを供給するポンプレーザ１０５と、前記半導体チップ１０３の外部に配置されて半導体チップ１０３から放出されたビームを半導体チップ１０３側に向けて再反射させる外部ミラー１２０とを備える。

前記半導体チップ１０３と外部ミラー１２０との間には、半導体チップ１０３から放出されたビームの波長を変換させるための二次高調波発生素子１１５が配置される。二次高調波発生素子１１５は、例えば半導体チップ１０３から放出された赤外線領域のビームを可視光線領域のビームに変換させる。前記二次高調波発生素子１１５には、光変換効率を増大させるため波長選択性が高い半導体フィルタ１１０が接合される。前記半導体フィルタ１１０は、半導体チップ１０３から放出されたビームが二次高調波発生素子１１５に入る前にフィルタリングされるように二次高調波発生素子１１５の下部に接合されることが好ましい。

一方、半導体フィルタ１１０は、誘電体フィルタに代替可能であり、誘電体フィルタは、二次高調波発生素子１１５の上部及び下部のうちいずれか一つの所に接合されうる。

前記半導体チップ１０３は、所定波長のビームを放出する活性層１０２と、前記活性層１０２で発生したビームを外部に反射する反射層１０１とが接しながら重なる、いわゆる重層構造を有している。活性層１０２は、周知の通り、量子ウェル層を備え、量子ウェル層は、多数の量子ウェルと量子ウェルとの間の障壁層から構成されるＲＰＧ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｇａｉｎ）構造を有する。活性層１０２は、ポンプレーザ１０５から放出されるポンプビームを吸収することによって励起されてビームを放出する。利得を得るため、それぞれの量子ウェルは、活性層１０２で発生するビームが外部ミラー１２０と反射層１０１との間で共振して発生する定常波のアンチノードに設けられる。活性層１０２で発生したビームは、外部ミラー１２０と反射層１０１との間で反復的に往復されながら増幅される。

このような構造の活性層１０２がポンプビームによって励起されるためには、ポンプビームの波長が活性層１０２で発生するビームの波長より短くしなければならない。例えば、活性層１０２が９２０ｎｍまたは１，０６０ｎｍの赤外線領域のビームを放出する場合、ポンプビームの波長λ_１は約８０８ｎｍ程度であることが適する。電気的ポンピングでは、大面積に均一なキャリヤ注入を行う場合に限界があるので、高出力を得るためには、光学的ポンピングを行うことが有利である。一方、前記ポンプレーザ１０５と半導体チップ１０３との間には、ポンプレーザ１０５から放出されるポンプビームを集光させるレンズ１０７が配置される。

外部ミラー１２０は、活性層１０２に対向されて所定の距離離されて配置されており、共振のため、活性層１０２から入射するビームの大部分活性層１０２に再反射し、共振によって増幅されたビームを透過させて外部に出力する。前記外部ミラー１２０の反射面は、反射されたビームが活性層１０２に収斂できるように凹んだ形態を有する。

前記反射層１０１は、活性層１０２で発生したビームを外部ミラー１２０に向けて反射して、ビームが外部ミラー１２０と反射層１０１との間で共振させる。反射層１０１は、発振ビームの波長λ_２で最大の反射率を有するように設計された分布ブラッグ反射層（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；ＤＢＲ）であることが好ましい。反射層１０１は、屈折率が相異なる２層の半導体層を発振ビームの波長の約１／４厚さ（すなわち、λ_２／４）で交互に反復して積層することによって形成できる。例えば、発振ビームを反射し、ポンプビームを透過させるＤＢＲ層は、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ層とＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ層（ここで、０≦ｘ，ｙ≦１、ｘ≠ｙ）とをそれぞれ約λ_２／４の厚さで交互に反復して得ることができる。

一方、前記半導体チップ１０３の下部に活性層１０２から発生した熱を放出させるためのヒートシンク１０４が備えられる。

図３は、半導体フィルタ１１０の具体的な例を示したものである。半導体フィルタは、基板１１１上に相対的に屈折率が低い第１半導体層１１２ａと相対的に屈折率が大きい第２半導体層１１２ｂとが交互に積層されて構成される。半導体フィルタは、半導体工程によって容易に製造可能であるという利点がある。例えば、基板１１１はＧａＡｓ材質として形成され、第１半導体層１１２ａはＡｌＡｓ材質として形成され、第２半導体層１１２ｂは、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦ｘ≦１）材質として形成できる。第２半導体層１１２ｂは、例えば、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓとして形成できる。

一方、半導体フィルタ１１０は、最上層にＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦ｘ≦１）として形成された層１１３をさらに備えることができる。例えば、前記層１１３はＧａＡｓとして形成できる。また、前記第１半導体層１１２ａと第２半導体層１１２ｂとを有する第１ペア層Ａと、第１半導体層１１２ａを有する第２ペア層Ｂと、第１半導体層１１２ａと第２半導体層１１２ｂとを有する第３ペア層Ｃは、１回〜１００回範囲内で反復積層されて構成できる。前記半導体フィルタ１１０は、選択波長で透過率が３０％以上であり、線幅が１０ｎｍ以下の値を有する。

前記基板１１１は、０より大きくて１０ｍｍ以下の厚さを有し、前記最上層１１３は、０より大きくて１０ｍｍ以下の厚さを有し、第１半導体層１１２ａと第２半導体層１１２ｂは、発振ビームの波長の１／４厚を有することができる。

図３に示す構造の半導体フィルタは、１，０６４ｎｍフィルタであり、二次高調波発生素子１１５を通過したビームは、５３２ｎｍの緑色ビームになる。図４は、半導体フィルタでの波長に対する透過率を示したものであり、ほぼ１，０６４ｎｍ波長で透過率が３０％以上であり、線幅∇λが０．２ｎｍ以下であるということが分かる。

このように本発明では、半導体フィルタを備えて面発光レーザの構造を単純化しながら二次高調波発生素子による光変換効率を高める。一方、これまで半導体フィルタについて説明したが、相異なる誘電率を有する誘電層を交互に積層した誘電体フィルタによっても半導体フィルタと同一な効果を得ることができる。誘電体フィルタは、選択波長で３０％以上の透過率を有し、線幅は、０より大きくて１０ｎｍ以下の範囲を有することができる。但し、半導体フィルタは、二次高調波発生素子の下部に接合されることが好ましいが、誘電体フィルタは、二次高調波発生素子の上部または下部に接合できる。

本発明について、図面に示された実施形態を参考に説明したが、これは例示的なものであり、限定的なものではなく、当業者であれば、これらから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であることは言うまでもない。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決められるものである。

本発明の垂直外部共振器型面発光レーザは、例えば、レーザに関連した技術分野に好適に適用されうる。

従来の垂直外部共振器型面発光レーザを示したものである。 本発明の好適な実施形態による垂直外部共振器型面発光レーザを示したものである。 本発明の好適な実施形態による垂直外部共振器型面発光レーザに使用された半導体フィルタの一実施形態を示したものである。 図３の半導体フィルタを使用してシミュレーションした結果を波長に対する透過率として示したものである。

符号の説明

１０ 垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）、
１１ 反射層、
１２ 活性層、
１３ 半導体チップ、
１４ ヒートシンク、
１５ ポンプレーザ、
１６ レンズ、
１７ 複屈折フィルタ、
１８ 二次高調波発生素子、
２０ 外部ミラー、
１００ 垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）、
１０１ 反射層、
１０２ 活性層、
１０３ 半導体チップ、
１０４ ヒートシンク、
１０５ ポンプレーザ、
１０７ レンズ、
１１０ 半導体フィルタ、
１１５ 二次高調波発生素子（ＳＨＧ）、
１２０ 外部ミラー。

Claims (15)

1. 所定波長のビームを放出する活性層と、前記活性層で発生したビームを外部に反射する反射層からなる重層構造を有する半導体チップと、
   前記活性層に対向し、前記活性層から所定距離をおいて配置され、前記活性層から放出されたビームを前記反射層に反復的に反射させることによりビームを増幅させ、増幅されたビームを前記活性層に対向する方向に対し反対方向へ出力する外部ミラーと、
   前記活性層に照射され、前記活性層を励起させるためのポンプビームを供給するポンプレーザと、
   前記半導体チップと前記外部ミラーとの間に配置されて、活性層から放出されたビームの波長を変換させる二次高調波発生素子と、
   前記二次高調波発生素子と接合された半導体フィルタと、を備えることを特徴とする垂直外部共振器型面発光レーザ。
2. 所定波長のビームを放出する活性層と、前記活性層で発生したビームを外部に反射する反射層からなる重層構造を有する半導体チップと、
   前記活性層に対向し、前記活性層から所定距離をおいて配置され、前記活性層から放出されたビームを前記反射層に反復的に反射させることによりビームを増幅させ、増幅されたビームを前記活性層に対向する方向に対し反対方向へ出力する外部ミラーと、
   前記活性層に照射され、前記活性層を励起させるためのポンプビームを供給するポンプレーザと、
   前記半導体チップと前記外部ミラーとの間に配置されて、活性層から放出されたビームの波長を変換させる二次高調波発生素子と、
   前記二次高調波発生素子と接合された誘電体フィルタと、を備えることを特徴とする垂直外部共振器型面発光レーザ。
3. 前記反射層は、屈折率が相異なる２層の半導体層を交互に反復して積層した複層構造の分布ブラッグ反射層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
4. 前記屈折率が相異なる２層の半導体層のそれぞれの厚さは、発振ビームの波長の１／４であることを特徴とする請求項３に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
5. 前記活性層は、ビームを生成する複数の量子ウェル層を備え、それぞれの量子ウェル層は、前記外部ミラーと反射層との間でビームが共振して発生する定常波のアンチノードに設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
6. 前記半導体フィルタは、選択波長で３０％以上の透過率を有し、線幅は、０より大きくて１０ｎｍ以下の範囲を有することを特徴とする請求項１に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
7. 前記誘電体フィルタは、選択波長で３０％以上の透過率を有し、線幅は、０より大きくて１０ｎｍ以下の範囲を有することを特徴とする請求項２に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
8. 前記半導体フィルタは、基板上に屈折率が異なる第１半導体層及び第２半導体層を交互に反復して積層した構造を有することを特徴とする請求項１に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
9. 前記第１半導体層は、相対的に低い屈折率を有するＡｌＡｓ層であり、第２半導体層は、相対的に高い屈折率を有するＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦ｘ≦１）層であることを特徴とする請求項８に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
10. 前記第１半導体層及び第２半導体層のそれぞれの厚さは、発振ビームの波長の１／４であることを特徴とする請求項８に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
11. 前記基板の厚さは、０より大きくて１０ｍｍ以下の範囲を有することを特徴とする請求項８に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
12. 前記半導体フィルタは、前記基板上に積層された第１半導体層と第２半導体層とを有する第１ペア層と、前記第１ペア層上に積層された第１半導体層を有する第２ペア層と、前記第２ペア層上に積層された第１半導体層と第２半導体層とを有する第３のペア層とを備えることを特徴とする請求項８に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
13. 前記第１、第２及び第３のペア層が１回〜１００回範囲内で反復的に積層されることを特徴とする請求項１２に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
14. 前記半導体フィルタは、最上層にＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦ｘ≦１）でもって形成された層をさらに備えることを特徴とする請求項８ないし請求項１３のうちいずれか１項に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
15. 前記最上層の厚さは、０より大きくて１０ｍｍ以下の範囲を有することを特徴とする請求項１４に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。

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