JP2008294467A - 光ポンピングされる垂直放出半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の欠点を回避し、とりわけ高い連続発振出力においても確実に動作されうる上位概念記載の垂直放出半導体レーザを提案すること
【解決手段】レーザ共振器内部に及び活性層列と熱的に接続して、放出されるビームに対して透過的な、ヒートシンクが設けられており、該ヒートシンクは活性層列の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から形成されており、ヒートシンクが活性層列のリフレクタ層の側の反対側に配置されているか又はヒートシンクが活性層列とリフレクタ層との間に設けられ、かつ更に別のヒートシンクが活性層列のリフレクタ層の側の反対側に配置されていることを特徴とする、光ポンピングされる垂直放出半導体レーザ
【選択図】図２

Description

本発明は高反射性リフレクタ層を有し、このリフレクタ層上に配置されたビーム放出性活性層列有し、動作中にリフレクタ層が外部ミラーと共にレーザ共振器を形成する、光ポンピングされる垂直放出半導体レーザに関する。

このような半導体レーザは例えば論文 M.Kuznetsov et al. , "Design and Characteristics of High-Power(＞0.5 W CW) Diode-Pumped Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Semiconductor Lasers with Circular TEM_００ Beams", IEEE J. Selected Topics Quantum Electron., vol.5, no. 3, pp561-573, 1999 から公知である。

これらのＶＥＣＳＥＬは良好なビーム品質においてワット領域に至るまでの高い連続発振ビーム出力を可能にする。もちろん、高出力連続発振動作においては、例えば非放射性再結合によって発生する損失熱を効率的に構成素子から排出する問題が生じる。

この目的のために、Kuznetsov et al. によって記述された光ポンピングされるＶＥＣＳＥＬは高い熱伝導率を有するダイヤモンドヒートシンクの上に取り付けられる。成長基板は基本的に構成素子の熱インピーダンスに寄与するので、有利には成長基板は除去され、ＶＥＣＳＥＬが直接ミラー層によってヒートシンク上に取り付けられる。

この方法は当然構成素子の逆さまの取り付けを強いる。さらに成長基板の除去によって構成素子の破壊の危険が生じる。
論文 M.Kuznetsov et al. , "Design and Characteristics of High-Power(＞0.5 W CW) Diode-Pumped Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Semiconductor Lasers with Circular TEM００ Beams", IEEE J. Selected Topics Quantum Electron., vol.5, no. 3, pp561-573, 1999

ここで本発明の話を始める。本発明は、請求項に記載されているように、従来技術の欠点を回避し、とりわけ高い連続発振出力においても確実に動作されうる上位概念記載の垂直放出半導体レーザを提案することを課題とする。

上述の課題は、レーザ共振器内部に及び活性層列と熱的に接続して、放出されるビームに対して透過的な、ヒートシンクが設けられており、該ヒートシンクは活性層列の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から形成されており、ヒートシンクが活性層列のリフレクタ層の側の反対側に配置されているか又はヒートシンクが活性層列とリフレクタ層との間に設けられ、かつ更に別のヒートシンクが活性層列のリフレクタ層の側の反対側に配置されていることを特徴とする、光ポンピングされる垂直放出半導体レーザによって解決される。さらに前記の課題は、垂直共振器内部に及び活性層列と熱的に接続して、放出されるビームに対して透過的な２つのヒートシンクが設けられており、該ヒートシンクは活性層列の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から形成されており、ビーム放出性活性層列は２つのヒートシンクの間に配置されていることを特徴とする、光ポンピングされる垂直放出半導体レーザによって解決される。有利な実施形態は従属請求項から得られる。

本発明によれば、冒頭に挙げたタイプの垂直放出半導体レーザにおいてはレーザ共振器内部において及び活性層列との熱的接続において放出されるビームに対して透過的なヒートシンクが設けられ、このヒートシンクは活性層列の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から形成されている。

本発明はリフレクタ層が熱排出のために基本的な障害であるという観察に基づいており、このリフレクタ層は通常は分布型ブラッグ反射器によって、すなわちλ/４ｎの厚さの高屈折率の層と低屈折率の層との交互の列によって形成されている。このことから、本発明は、熱排出のためにリフレクタ層を迂回し又は熱拡散によってリフレクタ層が熱を排出するための面積を増大させるという思想に基づいている。

この目的は、共振器内部に配置されたヒートシンクによって達成され、このヒートシンクは活性層列と熱接続しており、このヒートシンクの熱伝導率は活性層の材料よりも高い。

この場合、ヒートシンク及びリフレクタ層の形態によって、排出される熱流はリフレクタ層を実際に完全に迂回することが達成される。

代替的に、排出される熱流が拡散され、リフレクタ層を比較的大きな面積において貫流するように、ヒートシンクを構成することも可能である。すなわち、熱抵抗は熱流の断面積に反比例するので、熱抵抗の低減が達成される。

有利にはヒートシンクはＳｉＣ、ＢＮ又はダイヤモンドのような良好な熱伝導性の、赤色で及び/又は近赤外線で透過する材料から形成されている。

有利な実施形態では、ヒートシンクは活性ゾーンの直径の少なくとも０．２倍の厚さの層によって形成されている。これは例えば３μｍ〜５０μｍの厚さ、有利には５μｍ〜３０μｍの厚さ、とりわけ有利には１０μｍ〜２０μｍの厚さを有しうる。

有利には、ヒートシンクは活性層列とリフレクタ層との間に配置されている。熱流はこの場合活性層列とリフレクタ層との間でヒートシンクによって広がり、従って熱抵抗が低減される。

ヒートシンクはこの場合活性層列と直接的に接触しているか又はヒートシンクと活性層列との間には部分反射型ブラッグ反射器が設けられている。後者はヒートシンクだけの後ろのリフレクタ層の反射率が不十分であり、リフレクタ層が例えば金から成る場合に、とりわけ有利である。

有利な実施形態では、リフレクタ層は分布型ブラッグ反射器によって形成されており、この分布型ブラッグ反射器は実質的にλ/４ｎの厚さの交互する高屈折率の層と低屈折率の層を含む。λはこの場合活性ゾーンから放出されるビームの波長であり、ｎは相応の層の屈折率である。

層における個別の反射は構造的に互いに重なり合い、この結果、９９％より大きな、有利には９９．５％より大きな、とりわけ有利には９９．９％より大きな高い全体反射率が達成される。屈折率ｎ１乃至はｎ２を有するｍ個の層ペアから成るブラッグミラーの反射率Ｒは次式
Ｒ＝｛１−（ｎ１/ｎ２）^ｍ｝／｛１＋（ｎ１/ｎ２）^ｍ｝
によって与えられる。

よって、高い反射率に対しては大きな屈折率比ｎ１/ｎ２及び十分な個数の層ペアが必要である。また上記の式の有効性のためには層厚が十分に正確に一致していなければならない。

ブラッグミラーは本発明の枠内ではエピタキシャルに成長されるか又は誘電層がデポジットされる。後者の方法は高い屈折率比を与えるが、必要な厚さに正確に一致させるのは難しい。また、誘電体はほんの僅かな熱伝導率しか持たない。

エピタキシャル半導体層の使用において要求される厚さは非常に正確に保持されうるし、熱伝導率は誘電体よりもいくらか高い。他方で、材料がエミッション波長において吸収しないこと及び格子定数が全ての層に対して同じでなくてはならないことが必要である。別の格子定数は結晶欠陥を発生させ、これらの結晶欠陥はより不完全なミラーのほかに高い品質の活性層列の成長を妨げる。従って、エピタキシャル半導体層の使用においては少ない材料に限定される。

赤外線では例えば格子適合してＧａＡｓ基板上に成長するＡｌＧａＡｓ材料系が使用されうる：赤外線では屈折率は約３．０（ＡｌＡｓ）及び３．５（ＧａＡｓ）であり、格子定数はほとんどアルミニウム含有量には依存しない。

赤色放出ＶＥＣＳＥＬに対してはブラッグミラーは同様にＡｌＧａＡｓ系から構成されうる。しかし、比較的短い波長のためにＧａＡｓは吸収し、それゆえ少なくとも６０％アルミニウムを有するＡｌＧａＡｓによって置き換えられなければならない。混晶半導体はまた２元半導体ＡｌＡｓ及びＧａＡｓよりも劣った熱伝導率を有する。さらに屈折率比が低下し、これはより高いミラーペア個数によって補償されなければならない。

ブラッグミラーの熱伝導率は非常にクリティカルであることが明らかとなった：なるほど例えばＧａＡｓ及びＡｌＡｓは４６及び９１Ｗ/（ｍ ｋ）の熱伝導率を有する。しかし、異なる材料から成る２つの積み重なった薄い層はより劣った熱伝導率を有する。なぜなら、結晶の変化のために格子振動（フォノン）が一致しないからである。従って、格子振動はこれらの境界面において部分的に反射され、よって、全熱抵抗はこの熱移行抵抗のために増大する。

現実のブラッグミラーはこの場合典型的には３０又は４０個の層ペアから成り、従って６０乃至は８０個の境界面から成り、これらの境界面はそれぞれ熱抵抗に寄与する。

ヒートシンク又は更に別のヒートシンクは活性層列のリフレクタ層の側の反対側に配置されうる。この結果、熱は主に直接リフレクタ層を介して伝導されるのではなく、ヒートシンクへと伝導される。

結局は、熱は自然にヒートシンクから再びリフレクタ層を介して流れ、もちろんこの場合には熱拡散のためにはるかに大きな面積で、すなわちより小さい抵抗で流れる。

代替的に、ヒートシンク及びリフレクタ層は、熱がリフレクタ層の外側でヒートシンクから基板又はその他の比較的大きな熱リザーバへと流出するように配置される。

これは、例えばブラッグミラーが構成素子の中央領域においてのみ形成されており、この結果、熱がブラッグミラーを貫流する必要なしに外部領域に排出されうることによって生じる。

他の実施形態では、光ポンピングされる垂直放出半導体レーザはビーム放出活性層列及び２つの外部ミラーを有し、これら２つの外部ミラーが垂直共振器を形成する。垂直共振器内部に及び活性層列と熱的に接続されて、放出されるビームに対して透過なヒートシンクが設けられて、このヒートシンクは活性層列の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から形成されている。

とりわけ有利には、本発明の装置は光ポンピングされる垂直放出半導体レーザにおいて使用され、この光ポンピングされる垂直放出半導体レーザではポンプ源はこの光ポンピングされる垂直放出半導体レーザの横に配置され、これと共に共通基板上にモノリシックに集積されている。ポンプ源はこの場合有利には１つのエッジ放出レーザ構造又は多数のエッジ放出レーザ構造を有し、１つのエッジ放出レーザ構造又は多数のエッジ放出レーザ構造がエピタキシによって光ポンピングされる垂直放出半導体レーザの構造のエピタキシャルな製造の前に又は後に共通の基板の上に成長される。このようなレーザ配置はＤＥ１００２６７３４から公知であり、今後この箇所については詳しくは説明しない。

全ての上記の実施形態ではビーム放出活性層列はＧａＡｓ又はＩｎＰに基づく半導体材料、とりわけＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＡｌＰ又はこれらの材料のうちの１つ又は複数から成る層の列から成る。

本発明の更に別の有利な実施形態、特徴、詳細は従属請求項、実施例の記述及び図面から得られる。

次いで本発明を実施例に基づいて図面との関連においてより詳しく説明する。図面にはそれぞれ本発明の理解に重要な素子だけが図示されている。

図１は本発明の光ポンピングされる垂直放出半導体レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）の実施形態を概略図において示す。ブラッグミラー１０と活性層列１４との間にはヒートシンク１２が配置されており、これは例えば１０μｍの厚さのＳｉＣ層である。

レーザ共振器はブラッグミラー１０及び外部中空ミラー２０によって形成されており、この外部中空ミラー２０を介して共振器において往復するビーム２２の一部分が出力結合される。

このＶＥＣＳＥＬはそれ自体は周知のやり方で光ポンピングされ、これは例えば８０８ｎｍ標準高出力ポンプダイオードのマルチモードビームの集束により９５０ｎｍで放出するＶＥＣＳＥＬである。

ポンプ出力は活性媒体において吸収され、これによって所望のレーザエミッションのほかに熱もとりわけ励起される電荷担体の非ビーム放出再結合によって生じる。この熱はブラッグミラー１０を介して境を接する基板又は別の熱リザーバへと流出しなくてはならない。

熱流の断面積は、ヒートシンク１２によって、横方向の熱拡散によって、レーザビーム２２の断面積にくらべてはるかに増大される。従って熱流はより大きな面積でブラッグミラー１０を貫いて流れ、これによって熱抵抗は相応に低減される。

別の実施形態が図２に示されている。そこにはヒートシンク１２が活性層列１４のブラッグミラー１０の側とは反対の側に配置されている。最終的にブラッグミラー１０を介して（図示されていない）基板へと流れる前に、活性層列１４において発生された熱はこの場合ビートシンク１２へと流れ込み、そこで横方向の熱拡散によって大きな面積に亘って広がる。この場合、ブラッグミラー構造化によって熱の大部分がミラーを迂回して基板に流れ込むことが達成されうる。

図２の実施形態のための可能な層列は図７に図示されている。ＧａＡｓ基板４０上ではＡｌＡｓ（参照符号４２）及びＡｌＧａＡｓ（参照符号４４）から成る４０個の層ペアから成るブラッグミラーが少なくとも６０％のアルミニウム成分によってエピタキシャルに成長される。層４２、４４の各々はエミッション波長λ＝６５０ｎｍにおいてλ/４ｎの厚さを有し、すなわち約５０ｎｍの厚さを有する。

ブラッグミラー上には活性層列１４が成長され、この活性層列１４は２つの約５ｎｍの幅のＩｎＧａＰ量子井戸４８、５２及びλ/４ｎの厚さのＩｎＡｌＰ障壁層４６、５０、５４から成る。この場合、量子井戸の数は比較的多くてもよく、例えば６又は１０でもよい。活性層列の上には横方向の熱拡散のために１０μｍの厚さのＳｉＣ層がヒートシンクとして載置される。

図３の実施形態では、ミラー１０は金の層によって形成されている。このようなミラーの比較的低い反射率は活性層列１４とヒートシンク１２との間に設けられた低減された周期性のブラッグミラー１６によって補償される。比較的少ない個数の層列のためにこのブラッグミラー１６の熱抵抗も比較的小さく、この結果、全体として従来の形態に比べてより良好な熱排出が達成される。

図４は活性層列１４の両側にヒートシンク１２及び１２’が配置されたＶＥＣＳＥＬ更に別の実施形態を示す。図１及び２との関連において記述された利点がこれによって結合される。

さらに、図５に示されているように、活性層列及びヒートシンクから成るより多くの列を並べて配置することも可能である。そこでは２つの活性層列１４、１４’がそれぞれ両側においてヒートシンク１２、１２’乃至は１２’、１２"に接している。

別の光ポンピングされる垂直放出半導体レーザは図６に図示されている。内部ミラーはこの実施形態では第２の外部ミラーによって置き換えられており、この結果、垂直共振器は２つの外部中空ミラー３６、３８によって形成されており、これらの２つの外部中空ミラー３６、３８の中でレーザビーム３０が往復する。

活性層列３４は２つのヒートシンク３２、３２’、この実施例ではそれぞれ１５μｍの厚さのＢＮ層の間に配置されている。

図８に図示されている実施例では、光ポンピング可能な垂直放出半導体レーザ構造１４０がエッジ放出レーザ構造１５０と共に共通基板１００の上にモノリシックに集積されている。エッジ放出レーザ構造１５０は光ポンピング可能な垂直放出半導体レーザ構造１４０のポンプ源である。光ポンピング可能な垂直放出半導体レーザ構造１４０及びエッジ放出レーザ構造１５０はエピタキシを用いて基板１００の上に載置され、エッジ放出レーザ構造１５０は光ポンピング可能な垂直放出半導体レーザ構造１４０のエピタキシャルな製造の前に又は後に共通基板１００の上に成長されうる。これらのレーザ構造の上には熱伝導層１１０が存在し、この熱伝導層１１０はヒートシンク又は熱拡散器として使用され、この熱伝導層１１０の上にはまたヒートシンク１２０が光ポンピング可能な垂直放出半導体レーザ構造１４０の上に設けられたビーム窓１３０とともに存在する。光ポンピング可能な垂直放出半導体レーザ構造１４０と基板１００との間には、ブラッグミラー１６０が存在し、このブラッグミラー１６０は光ポンピング可能な垂直放出半導体レーザ構造１４０から見てビーム窓１３０に後置配置されたブラッグミラー１７０と共にこの光ポンピング可能な垂直放出半導体レーザ構造１４０のためのレーザ共振器を形成する。

本発明の１つの実施形態の概略的な断面図を示す。 本発明の１つの実施形態の概略的な断面図を示す。 本発明の１つの実施形態の概略的な断面図を示す。 本発明の１つの実施形態の概略的な断面図を示す。 本発明の１つの実施形態の概略的な断面図を示す。 本発明の１つの実施形態の概略的な断面図を示す。 図２の半導体レーザの層列の概略的な断面図を示す。 更に別の実施例の概略的な断面図を示している。

符号の説明

１０ ブラッグミラー、 １２、１２’、１２" ヒートシンク、 １４、１４’ 活性層列、 １６ ブラッグミラー、 ２０ 外部中空ミラー、 ２２ ビーム、 ３２、３２’ ヒートシンク、 ３４ 活性層列、 ３６、３８ 外部中空ミラー、 ４０ ＧａＡｓ基板、 ４２ ＡｌＡｓ層、 ４４ ＡｌＧａＡｓ層、 ４６、５０、５４ ＩｎＡｌＰ障壁層、 ４８、５２ ＩｎＧａＰ量子井戸、 １００ 基板、 １１０ 熱伝導層、 １２０ ヒートシンク、 １３０ ビーム窓、 １４０ 垂直放出半導体レーザ構造、 １５０ エッジ放出レーザ構造、 １６０ ブラッグミラー、 １７０ ブラッグミラー

Claims (14)

1. 光ポンピングされる垂直放出半導体レーザであって、高反射性リフレクタ層（１０）および該リフレクタ層上に配置されたビーム放出活性層列（１４）を有し、動作中に前記高反射性リフレクタ層（１０）が外部ミラー（２０）と共にレーザ共振器を形成する、光ポンピングされる垂直放出半導体レーザにおいて、
   レーザ共振器（１０、２０）内部に及び前記活性層列（１４）と熱的に接続して、放出されるビームに対して透過的な、ヒートシンク（１２）が設けられており、該ヒートシンク（１２）は前記活性層列（１４）の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から形成されており、
   ヒートシンク（１２）が活性層列（１４）のリフレクタ層（１０）の側の反対側に配置されているか、又は
   ヒートシンク（１２）が活性層列（１４）とリフレクタ層（１０）との間に設けられ、かつ更に別のヒートシンク（１２’、１２"）が活性層列（１４）のリフレクタ層（１０）の側の反対側に配置されていることを特徴とする、光ポンピングされる垂直放出半導体レーザ。
2. ヒートシンク（１２）は良好な熱伝導性の、赤色及び/又は近赤外線で透過する材料から形成されている、請求項１記載の垂直放出半導体レーザ。
3. 前記材料はＳｉＣ、ＢＮ又はダイヤモンドである、請求項２記載の垂直放出半導体レーザ。
4. ヒートシンク（１２）は活性ゾーンの直径の少なくとも０．２倍の厚さの層によって形成されている、請求項１〜３のうちの１項記載の垂直放出半導体レーザ。
5. ヒートシンク（１２）は活性層列（１４）と直接的に接触している、請求項４記載の垂直放出半導体レーザ。
6. ヒートシンク（１２）と活性層列（１４）との間に部分反射型ブラッグ反射器（１６）が配置されている、請求項１記載の垂直放出半導体レーザ。
7. リフレクタ層（１０）は分布型ブラッグ反射器（４２、４４）によって形成されている、請求項１記載の垂直放出半導体レーザ。
8. リフレクタ層（１０）は金属層によって形成されている、請求項６記載の垂直放出半導体レーザ。
9. 光ポンピングされる垂直放出半導体レーザであって、ビーム放出性活性層列（３４）及び２つの外部ミラー（３６、３８）を有し、該２つの外部ミラー（３６、３８）は垂直共振器を形成する、光ポンピングされる垂直放出半導体レーザにおいて、
   垂直共振器（３６、３８）内部に及び前記活性層列（３４）と熱的に接続して、放出されるビームに対して透過的な２つのヒートシンク（３２、３２’）が設けられており、該ヒートシンク（３２、３２’）は前記活性層列（３４）の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から形成されており、
   前記ビーム放出性活性層列（３４）は前記２つのヒートシンク（３２、３２’）の間に配置されていることを特徴とする、光ポンピングされる垂直放出半導体レーザ。
10. ビーム放出活性層列（１４；３４）は、ＧａＡｓ又はＩｎＰに基づく半導体材料、とりわけＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＡｌＰ又はこれらの材料のうちの１つ又は複数から成る層の列から成る、請求項１〜９のうちの１項記載の垂直放出半導体レーザ。
11. １つのポンプ源（１５０）又は多数のポンプ源は、光ポンピングされる垂直放出半導体レーザ（１４０）の横に設けられており、これと共に共通の基板（１００）上にモノリシックに集積されている、請求項１〜６及び９及び１０のうちの１項記載の光ポンピングされる垂直放出半導体レーザ。
12. １つのポンプ源（１５０）又は多数のポンプ源は少なくとも１つのエッジ放出レーザ構造を有する、請求項１１記載の垂直放出半導体レーザ。
13. 前記ヒートシンク（１２、３２、３２’）は、３〜５０μｍの間の厚さを有する層によって形成されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の垂直放出半導体レーザ。
14. 前記ヒートシンク（１２、３２、３２’）は、５〜５０μｍの間の厚さを有する層によって形成されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の垂直放出半導体レーザ。

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