JP2007305984A - レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力の後方光ポンピング半導体レーザを提供する。
【解決手段】活性層３４と分散ブラッグ反射器とを備えるレーザチップ３０と、レーザチップの一面から所定の距離だけ離隔されて位置したものであって、分散ブラッグ反射器と共振器とを形成する外部ミラー６０と、外部ミラーとレーザチップとの間に位置したＳＨＧ結晶と４０、レーザチップで発生した熱を放出させ、レーザチップの他面に入射されるポンピング光を集光させるために、レーザチップの他面に付着されたマイクロレンズ一体型のヒートシンク２０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ素子に係り、特にレーザチップの後方からポンピング光をマイクロレンズ一体型のヒートシンクを通過させて垂直に入射させる後方光ポンピング方式のレーザ素子に関する。

垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）は、非常に狭いスペクトルの単一縦モードの発振を行うだけでなく、ビームの放射角が小さいため光ファイバとの接続効率が高く、面発光の構造上、他の装置との集積が容易であるという特徴があるので、ディスプレイ光源として適している。

しかし、従来のＶＣＳＥＬで通常の単一横モードの動作のためには、発振領域の面積を１０μｍ以下にしなければならず、この場合であっても光出力の増加による熱的レンズ効果などの影響により多重モード状態に変わるため、単一横モードとしての最大出力は、一般的に５ｍＷを超えられない。

前述したＶＣＳＥＬの長所を生かすと同時に、高出力動作を具現するために提示された新たな装置がＶＥＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）である。前記ＶＥＣＳＥＬは、上部分散ブラッグ反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）を外部反射装置に代替することによって、利得領域を増大させるため、１００ｍＷ以上の出力が得られる。最近では、表面発光レーザが側面発光レーザ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短所を最大限補完するために、周期的に量子ウェル（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＱＷ）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、広い面積に均一なキャリア注入をすることに限界があるため、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。

従来のＶＥＣＳＥＬは、ポンピング光を提供するポンピングユニット、ポンピング光により励起されてレーザ光を放出するレーザチップ、及びレーザチップの外部に設けられて外部共振器を構成する外部ミラーを備える。

ポンピングユニットは、ポンピング光源と、このポンピング光源から照射されたポンピング光を集束するコリメーティングレンズと、を備えている。

しかし、かかるポンピングユニットの構成では、ポンピング光源からレーザチップまでの距離がＶＥＣＳＥＬの全長のほぼ半分を占めるため、ＶＥＣＳＥＬモジュールのサイズの縮小に限界がある。したがって、ＶＥＣＳＥＬを一体型モジュール化及び数ないし数十ｍｍ以内のサイズに小型化し難いという短所がある。

本発明の目的は、製造工程が簡単であり、量産が可能であり、小型化できる外部共振器型レーザを提供することである。

本発明の他の目的は、ポンピング光をフォーカシングするコリメーティングレンズを使用せずに直接レーザチップに垂直にポンピング光を入射させることによって、反射損失がなく、高い効率を有する後方光ポンピング方式の外部共振器型レーザを提供することである。

本発明の一類型による外部共振器型レーザは、活性層とＤＢＲとを備え、基本波長を発光するレーザチップと、前記レーザチップの一面から所定の距離だけ離隔されて位置したものであって、前記ＤＢＲと共振器とを形成する外部ミラーと、前記外部ミラーと前記レーザチップとの間に位置した２次調和波発生（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）結晶と、前記レーザチップで発生した熱を放出させ、前記レーザチップの他面に入射されるポンピング光を集光させるために、前記レーザチップの他面に付着されたマイクロレンズ一体型のヒートシンクと、を備えることを特徴とする。

前記レーザは、前記外部ミラー、前記ＳＨＧ結晶、前記レーザチップ、前記マイクロレンズ一体型のヒートシンクと同軸に位置し、前記マイクロレンズを通じて前記レーザチップの前記ＤＢＲ側にポンピング光が入射されるように整列されたポンプ光源を備えることを特徴とする。

前記活性層は、既定の基本波長を発光可能に形成された組成の複数のＱＷ層と、前記それぞれのＱＷ層の上下部に設けられ、前記ポンピング光を吸収する利得層と、を有した共振周期利得（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｇａｉｎ：ＲＰＧ）構造で形成されたことを特徴とする。

本発明の実施形態によるＶＥＣＳＥＬは、マイクロレンズ一体型のヒートシンクを利用することによって、ポンピング光の入射損失を減少させ、励起光としての効率を低下させない小型モジュールの製作が可能である。

また、ポンプレーザがレーザチップの後方に一列に他の部品と同じ軸上に配置されており、コリメーティングレンズが除去されるので、従来に比べて製造工程が簡単で量産が可能であるだけでなく、全体的なサイズを小型化できる。

図１は、ポンピング光のモードサイズによる外部共振器型レーザのしきい電流（電流）と光出力（出力強度）との関係を示すグラフである。モードサイズが２００μｍであるポンピング光を、コリメーティングレンズを使用せずにレーザチップに直接垂直に入射させた場合（点線）、コリメーティングレンズを使用した場合（実線）のレーザよりしきい電流が高く、光出力が低いということが分かる。モードサイズを１００μｍにフォーカシングしてレーザチップに入射させたレーザの場合、しきい電流が約９５０ｍＡであり、最大の光出力が約２５００ｍＡである注入電流で約５３０ｍＷと比較的高い。しかし、ポンピング光をフォーカシングしない場合、しきい電流が約１３１０ｍＡと高くなり、最大の光出力も約２５００ｍＡの注入電流で約３２０ｍＷと低くなる。このように、ポンピング光のモードサイズによって外部共振器型レーザのしきい電流と光出力とが変わる理由は、ポンピング光のモードサイズとレーザチップから発光される基本光のモードサイズとが異なってモードマッチングがなされないためである。外部共振器型レーザモジュールを小型化しつつ最大の出力を得るためには、ポンピング光をレーザチップに直接接触しつつも安定したレーザ共振モードの得られるレーザの構造が提案されねばならない。

図２は、本発明の第１実施形態による外部共振器型レーザを示す概略的な断面図である。

図２に示すように、本発明の第１実施形態による外部共振器型レーザは、後方光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬであって、ポンピング光が入射される側から順次にマイクロレンズ一体型のヒートシンク２０、レーザチップ３０、ＳＨＧ結晶４０及び外部ミラー６０を備え、それらはいずれも一直線上に整列されて形成される。

前記マイクロレンズ一体型のヒートシンク２０は、ポンプレーザ１０から照射された所定の波長、例えば約８０８ｎｍの波長のポンピング光を透過させると共に、前記レーザチップ３０で発生した熱を外部に放出する。このために、前記マイクロレンズ一体型のヒートシンク２０は、ダイヤモンド、炭化シリコン（ＳｉＣ）、サファイア、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）のように熱拡散性能に優れ、ポンピング光に対して光学的に透明な材質で構成されることが望ましい。

前記マイクロレンズ一体型のヒートシンク２０のマイクロレンズ２２は、前記ポンピング光を集光させて前記レーザチップ３０から発光する基本光とモードマッチングされるように、半球形、楕円形、非対称型レンズを備えるグループから選択されたいずれか一つであることを特徴とする。

前記マイクロレンズ一体型のヒートシンク２０は、マイクロレンズ２２とヒートシンクとが異種物質で構成されて結合されることもある（図４参照）。異種物質で構成された前記マイクロレンズ２２と前記ヒートシンクとを結合する場合、マイクロレンズ２２とヒートシンクとの結合方法は、例えばキャピラリーボンディング及びフュージョンボンディングのうちいずれか一つの方式で行われうる。この場合、前記マイクロレンズ２２は、ガラス、石英、ＳｉＣ、ＡｌＮ及びＧａＮを含むグループから選択された少なくとも一つの材料からなることを特徴とする。また、前記マイクロレンズ２２の表面は、ポンピング光が反射しないように、ポンピング光に対して非反射コーティングされたことを特徴とする。

前記レーザチップ３０は、活性層３４とＤＢＲ３２とを備える。前記活性層３４は、既定の基本波長を発光可能に形成された組成を有する複数のＱＷ層と、前記それぞれのＱＷ層の上下部に設けられ、前記ポンピング光を吸収する利得層と、を有するＲＰＧ構造で形成されたことを特徴とする。

例えば、前記ＱＷ層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ，Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ_ｙＡｓ_１−ｙ及びＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂを含むグループから選択された少なくとも一つの半導体材料を含み、ここで、０．０＝ｘ＜１．０及び０．０＜ｙ＜１．０であることを特徴とする。また、前記利得層は、例えばＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦ｘ≦０．３）物質層及びＧａＡｓ_{（１−ｙ）}Ｐ_ｙ（０≦ｙ≦０．３）物質層のうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする。

前記のような構造を有するレーザチップ３０で発生する基本波長の光は、例えば約３５０ｎｍないし１５５０ｎｍの波長範囲のレーザ光であることを特徴とする。

前記ＤＢＲ３２は、前記活性層３４から放出された基本波長の光を前記外部ミラー６０側に反射して、レーザ光をＤＢＲ３２と外部ミラー６０との間の共振器７０で共振させる高反射率のミラー層である。例えば、前記ＤＢＲ３２は、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０．５≦ｘ≦１）物質層及びＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦ｘ＜０．５）物質層が交互に積層されて形成されうる。

前記ＳＨＧ結晶４０は、前記レーザチップ３０と前記外部ミラー６０との間に配置されるものであって、前記レーザチップ３０から照射された基本波長の光をその波長の１／２波長である第２波長の光に変換する。例えば、前記基本波長が１０６４ｎｍである場合、第２波長は５３２ｎｍである。かかるＳＨＧ結晶４０としては、ＫＴＰ（Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ Ｔｉｔａｎｙｌ Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ），ＬｉＮｂＯ_３，ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ_３），ＫＴＮ，ＫｎｂＯ_３のような結晶を使用しうる。望ましくは、前記ＳＨＧ結晶４０は、前記レーザチップ３０と接するように配置されることが望ましい。

前述した構造の本発明によるＶＥＣＳＥＬ１００の場合、ポンプレーザが側面に傾斜して配置された従来のＶＥＣＳＥＬとは異なり、ポンプレーザ１０が前記レーザチップ３０の後方に一列に他の部品と同じ軸上に配置されており、コリメーティングレンズが除去されている。したがって、本発明によるＶＥＣＳＥＬ１００は、従来に比べて製造工程が簡単であり、量産が可能であるだけでなく、全体的なサイズを小型化できるという長所がある。例えば、直径が約２０ｍｍ、ポンプレーザ１０を除いた全長が約５０ｍｍ以内に製造することが可能である。さらに、ポンピング光をレーザチップ３０に垂直に入射させるため、反射による損失がほとんどなく、ポンピング光の出力を必要な部分にのみ集中させうる。したがって、レーザの光出力を増加させ、前記レーザチップ３０から放出される光の断面形態もほぼ円形に近く維持できる。また、ポンプレーザ１０が側面に配置されていないため、ＳＨＧ結晶４０を前記レーザチップ３０に最大限近く配置することが可能である。したがって、前記ＳＨＧ結晶４０の光波長変換効率を向上させることができる。

前記レーザチップ３０は、前記マイクロレンズ一体型のヒートシンク２０の平らな面２４とキャピラリーボンディングまたはフュージョンボンディング方式で結合されている。詳しくは、前記活性層３４を中心に前記外部ミラー６０の反対側にある前記レーザチップ３０のＤＢＲ３２が、前記マイクロレンズ一体型のヒートシンク２０でマイクロレンズが形成されていない平らな面２４と接触されている。

前記レーザチップ３０は、前記活性層３４上に基板（図示せず）をさらに備えることもできる。この場合、基本光の損失なくレーザビームを共振器７０に効率的に進められるように、前記基板の中心部に開口がさらに形成されることもある。

図３は、本発明の第２実施形態による外部共振器型レーザを示す概略的な断面図である。

図３に示すように、本発明の第２実施形態による外部共振器型レーザは、後方光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬであって、ポンピング光が入射される側から順次にマイクロレンズ一体型のヒートシンク２０、レーザチップ３０、ＳＨＧ結晶４０、複屈折フィルタ５０及び外部ミラー６０を備え、それらはいずれも一直線上に整列されて形成される。

前記複屈折フィルタ５０は、前記レーザチップ３０と外部ミラー６０との間の光路上に位置して特定の波長の光のみを通過させる。

前述した構成を有する外部共振器型レーザ２００の動作は、次の通りである。まず、ポンプレーザ１０から放出されたレーザビームがマイクロレンズ一体型のヒートシンク２０を通過してレーザチップ３０に入射される。望ましくは、前記ポンプレーザ１０のレーザビームが前記マイクロレンズ２２を通過しつつ前記マイクロレンズ２２により集光される。次いで、前記集光されたレーザビームは、前記ＤＢＲ３２を通過して前記レーザチップ３０に入射される。これにより、レーザチップ３０内の活性層３４が励起されつつ光が発生する。前記レーザチップ３０で発生した光は、レーザチップ３０内のＤＢＲ３２により反射されて前記ＳＨＧ結晶４０に入射される。ＳＨＧ結晶４０は、入射光の一部を周波数が２倍である（すなわち、波長が１／２である）光に変換する。このように、周波数が変換された光と変換されていない光とは複屈折フィルタ５０を通過する。前記複屈折フィルタ５０を通過した光は、非常に鮮やかなスペクトル分布を有する。前記複屈折フィルタ５０を通過して非常に鮮やかなスペクトル分布を有する光のみが出力可能な利得を得るまで、共振器７０内で共振する。例えば、入射光が赤外線領域の光ならば、前記ＳＨＧ結晶４０と前記複屈折フィルタ５０とを通過した光は、鮮やかな可視光線領域の光となる。外部ミラー６０は、波長が変換された光を透過させて外部に出力し、波長が変換されていない光は、再びＳＨＧ結晶４０に向かって反射する。これにより、光の一部は、再び前記ＳＨＧ結晶４０により波長が変換される。一方、波長が変換されていない光は、レーザチップ３０に入射する。レーザチップ３０に入射した光の一部は、レーザチップ３０内の活性層３４で吸収され、一部は、レーザチップ３０内のＤＢＲ ３２により反射されて前述した過程を反復する。かかる過程を通じて、波長が変換されていない光は、レーザチップ３０と外部ミラー６０との間の共振器７０で共振する。

図３において、前記複屈折フィルタ５０は、ＳＨＧ結晶４０と外部ミラー６０との間の光路上に配置されたことが示されている。しかし、前記複屈折フィルタ５０は、前記レーザチップ３０とＳＨＧ結晶４０との間の光路上にも位置させることもでき、この場合も特定の波長の光のみを通過させる。

図３でも、図２と同様に、前記マイクロレンズ一体型のヒートシンク２０は、ポンプレーザ１０から照射された所定の波長、例えば約８０８ｎｍのポンピング光を透過させると共に、前記レーザチップ３０で発生した熱を外部に放出する。このために、前記マイクロレンズ一体型のヒートシンク２０のマイクロレンズ２２は、前記ポンピング光を集光させて前記レーザチップ３０から発光する基本光とモードマッチングされるように、半球形、楕円形、非対称型レンズを備えるグループから選択されたいずれか一つであることを特徴とする。

また、前記マイクロレンズ一体型のヒートシンク２０は、異種物質で構成されたマイクロレンズ２２とヒートシンクとが結合されることもある（図４参照）。異種物質で構成された前記マイクロレンズ２２と前記ヒートシンクとが結合される場合、マイクロレンズ２２とヒートシンクとの結合方法は、例えばキャピラリーボンディング及びフュージョンボンディングのうちいずれか一つの方式で行われうる。この場合、前記マイクロレンズ２２は、ガラス、石英、ＳｉＣ、ＡｌＮ及びＧａＮを含むグループから選択された少なくとも一つの材料からなることを特徴とする。前記マイクロレンズ２２の表面は、ポンピング光が反射しないようにポンピング光に対して非反射コーティングされたことを特徴とする。

本発明は、図面に示した一実施形態を参考にして説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想により決まらねばならない。

本発明は、半導体レーザ関連の技術分野に適用可能である。

ポンピング光のモードサイズによる外部共振器型レーザの電流−出力強度特性を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による高出力の後方光ポンピング方式のレーザ素子の断面図である。 本発明の第２実施形態による高出力の後方光ポンピング方式のレーザ素子の断面図である。 本発明の第３実施形態による高出力の後方光ポンピング方式のレーザ素子の断面図である。

符号の説明

１０ ポンプレーザ、
２０ マイクロレンズ一体型のヒートシンク、
２２ マイクロレンズ、
３０ レーザチップ、
３２ ＤＢＲ、
３４ 活性層、
４０ ＳＨＧ結晶、
６０ 外部ミラー、
７０ 共振器、
１００ ＶＥＣＳＥＬ。

Claims (20)

1. 活性層と分散ブラッグ反射器とを備え、基本波長を発光するレーザチップと、
   前記レーザチップの一面から所定の距離だけ離隔されて位置したものであって、前記分散ブラッグ反射器と共振器とを形成する外部ミラーと、
   前記外部ミラーと前記レーザチップとの間に位置したＳＨＧ結晶と、
   前記レーザチップで発生した熱を放出させ、前記レーザチップの他面に入射されるポンピング光を集光させるために、前記レーザチップの他面に付着されたマイクロレンズ一体型のヒートシンクと、
   を備えることを特徴とするレーザ素子。
2. 前記外部ミラー、前記ＳＨＧ結晶、前記レーザチップ及び前記マイクロレンズ一体型のヒートシンクと同軸に位置するものであって、前記マイクロレンズを通じて前記レーザチップの前記分散ブラッグ反射器側に光が入射されるように整列されたポンプ光源をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
3. 前記マイクロレンズ一体型のヒートシンクのマイクロレンズは、前記ポンピング光を集光させ、集光されたポンピング光が前記レーザチップから発光する基本光とモードマッチングされるように、半球形、楕円形及び非対称型レンズを備えるグループから選択されたいずれか一つのレンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
4. 前記マイクロレンズ一体型のヒートシンクは、前記ポンピング光を透過させる材料からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
5. 前記ポンピング光を透過させる材料は、ダイヤモンド、炭化シリコン、窒化アルミニウム及び窒化ガリウムを含むグループから選択された少なくとも一つの材料であることを特徴とする請求項４に記載のレーザ素子。
6. 前記マイクロレンズ一体型のヒートシンクは、異種物質で構成されたマイクロレンズとヒートシンクとが結合されて形成されたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
7. 前記マイクロレンズと前記ヒートシンクとは、キャピラリーボンディング及びフュージョンボンディングのうちいずれか一つの方式で結合されたことを特徴とする請求項６に記載のレーザ素子。
8. 前記マイクロレンズは、ガラス、石英、炭化シリコン、窒化アルミニウム及び窒化ガリウムを含むグループから選択された少なくとも一つの材料からなることを特徴とする請求項６に記載のレーザ素子。
9. 前記マイクロレンズは、表面がポンピング光に対して非反射コーティングされたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
10. 前記活性層は、
    既定の基本波長を発光可能に形成された組成を有する複数の量子ウェル層と、
    前記それぞれの量子ウェル層の上下部に設けられ、前記ポンピング光を吸収する利得層と、
    を有する共振周期利得構造で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
11. 前記量子ウェル層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ，Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ_ｙＡｓ_１−ｙ及びＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂを含むグループから選択された少なくとも一つの半導体材料を含み、ここで、０．０＝ｘ＜１．０及び０．０＜ｙ＜１．０であることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ素子。
12. 前記利得層は、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦ｘ≦０．３）物質層及びＧａＡｓ_{（１−ｙ）}Ｐ_ｙ（０≦ｙ≦０．３）物質層のうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ素子。
13. 前記基本波長の光は、３５０ｎｍないし１５５０ｎｍの波長範囲のレーザ光であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
14. 前記分散ブラッグ反射器は、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０．５≦ｘ≦１）物質層及びＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦ｘ＜０．５）物質層が交互に積層されて形成されたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
15. 前記外部ミラーと前記ＳＨＧ結晶との間に複屈折フィルタが備えられたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
16. 前記レーザチップと前記ＳＨＧ結晶との間に複屈折フィルタが備えられたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
17. 前記レーザチップは、活性層上に配置されて前記外部ミラーと対向する基板をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
18. 前記レーザチップで発生する基本波長の光が損失なしに進められるように、前記基板の中心部に開口が形成されたことを特徴とする請求項１７に記載のレーザ素子。
19. 前記レーザチップの分散ブラッグ反射器は、マイクロレンズが形成されていない前記マイクロレンズ一体型のヒートシンクの平らな面と接触することを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
20. 前記分散ブラッグ反射器と前記マイクロレンズ一体型のヒートシンクとは、キャピラリーボンディング及びフュージョンボンディングのうちいずれか一つの方式で結合されたことを特徴とする請求項１９に記載のレーザ素子。

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