JP2009510734A - 高周波変調表面発光型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

表面発光型半導体レーザであって、半導体チップ（１）と、第１の共振器ミラー（４）と、少なくとも１つの別の共振器ミラー（８）と、ポンピングレーザ（１０）を有しており、前記少なくとも１つの別の共振器ミラーは半導体チップ（１）外に配置されており、前記第１の共振器ミラー（４）とともに、共振器長Lを有するレーザ共振器を構成し、前記ポンピングレーザは半導体レーザ（１）を光学的にポンピングするために、ポンピングパワーを有するポンピングビーム（１４）を半導体チップ（１）内に放射する。この表面発光型半導体レーザにおいて、前記ポンピングパワーは変調周波数ｆ_ｐによって変調され、共振器長Lは、この変調周波数ｆ_ｐに合わせて調整されている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の表面発光型半導体レーザに関する。

本出願は、ドイツ特許出願第１０２００５０４６６９５．８号および１０２００５０５５１５９．９号の優先権を主張する。これらの文献の開示内容は参考として本出願に取り込まれている。

変調可能なレーザとして、緑色および青色のスペクトル領域において固体レーザが使用されるのが通常である。これらの固体レーザは高い出力パワーを有しているが、固体材料内のレーザ活性状態の寿命が長いので、変調周波数は通常、１００ｋＨｚ以下に制限されている。このような固体レーザはしばしば外部の、比較的大きくかつ高価な電子変調器または音響光変調器によって振幅変調されている。

「飛点」方法に基づくディスプレイ（レーザスキャンディスプレイ）でのレーザの使用は以下のことを前提条件にする。すなわち、３つの基本色である赤色、青色および緑色が使用可能であること、比較的高い出力パワー並びにレーザの高周波変調を前提条件にする。ディスプレイの解像度を高くするために、有利には、出力パワーは例えば１MHzより高い周波数で変調される。

外部の共振器ミラーを有する表面発光型半導体レーザは、高いビームの質と同時に、高い出力パワーを特徴としている。このような半導体レーザはディスクレーザまたはＶＥＣＳＥＬ（Vertical External Cavity Surface Emitting Laser）との名称でも知られている。

文献ＵＳ６７９８８０４Ｂ２から、表面発光型半導体レーザが公知である。ここでは、放射されたレーザビームの高周波変調は、表面発光型半導体レーザのｐｎ接合に印加される電圧の変調によって行われる。このために、半導体レーザ外に配置された変調ユニットが使用される。

本発明の課題は、比較的低いコストで、放出されるレーザビームの高周波変調が行われる、改善された表面発光型半導体レーザを提供することである。

上述の課題は、請求項１の特徴部分に記載された構造を有する表面発光型半導体レーザによって解決される。本発明の有利な構成および発展形態は、従属請求項に記載されている。

本発明に相応する表面発光型半導体レーザは半導体チップ、第１の共振器ミラーおよび少なくとも１つの別の共振器ミラーとポンピングレーザとを有している。ここでこの少なくとも１つの別の共振器ミラーは半導体チップ外に配置され、第１の共振器ミラーとともに、共振器長Lを有するレーザ共振器を構成する。ポンピングレーザは、半導体レーザを光学的にポンピングするために、ポンピングパワーP_ｐを有するポンピングビームを半導体チップ内に放射する。ここでこのポンピングパワーＰ_ｐは変調周波数ｆ_ｐによって変調される。レーザ共振器の共振器長Ｌは有利には、この変調周波数ｆ_ｐに合わせられる。

表面発光型半導体レーザは、ポンピングパワーの変調に基づいて有利には、ポンピングパワーの変調周波数ｆ_ｐによって変調される出力パワーを有する。このような光学的にポンピングされた半導体レーザの場合には、レーザ共振器の共振器長Lをポンピングビーム源の変調周波数ｆ_ｐに合わせるのが有利であることが判明している。有利には共振器長Lは、変調器周波数ｆ_ｐが上昇するにつれて短くなる。殊に、レーザ共振器は、３０ｍｍ以下の共振器長Lを有している。有利にはレーザ共振器の長さLは２０ｍｍ以下であり、特に有利には１０ｍｍ以下である。

有利には共振器長にはL〔ｍｍ〕≦２５０／ｆ_ｐ〔ＭＨｚ〕が当てはまる。例えば変調周波数ｆ_ｐ＝１０ＭＨｚの場合には、共振器の長さLは有利には２５ｍｍ以下である。変調周波数ｆ_ｐ＝２５ＭＨｚの場合には、共振器の長さは有利には１０ｍｍを上回らない。

ポンピングレーザは必ずしも固定の変調周波数を有していなくてはいけないのではなく、可変の変調周波数を有していてもよい。このような場合には、変調周波数とは、ポンピングレーザが変調可能である最大変調周波数である。すなわち、このような場合には、変調周波数に共振器長を適合させることは、ポンピングパワーを変調するために設けられた最大変調周波数に共振器長を適合させることである。殊に、このような場合に不等式L〔ｍｍ〕≦２５０／ｆ_ｐ〔ＭＨｚ〕は、ポンピングレーザの最大変調周波数の場合にも満たされる。

変調周波数ｆ_ｐは、本発明の１つの実施例では、１MHz以上であり、有利には１０ＭＨｚ以上であり、特に有利には５０ＭＨｚ以上である。これは殊に、レーザディスプレイ内で表面発光型半導体レーザを使用する場合に有利である。

ポンピングレーザのポンピングパワーは有利には、ポンピングレーザを駆動する電流を変調することによって変調される。

できるだけ高い変調周波数ｆ_ｐを得るために、ポンピングレーザは有利には次のように変調される。すなわち、変調された作動の間にポンピングレーザのレーザ閾値を下回らないように変調される。例えば、ポンピングレーザの動作電流は周波数ｆ_ｐによって変えられる。ここでこの動作電流は時間的経過特性の極小値においても、ポンピングレーザ内の励起された放射を起こすために必要な電流強度閾値よりも大きい。

より高い変調周波数を得るためにさらに、表面発光型半導体レーザを変調作動時に、レーザ閾値を下回らないように駆動することも有利であることが判明している。すなわち、高い周波数に変調されたポンピングパワーは時間的な経過特性の極小値においても、表面発光型半導体レーザ内で励起された放射を起こすのに必要なパワー閾値よりも大きい。

ポンピングレーザは殊に外部ポンピングレーザであってよく、すなわち半導体チップの外側に配置されたポンピングレーザであってよい。有利にはポンピングレーザとは半導体レーザダイオードである。

本発明の別の有利な実施形態ではポンピングレーザはモノリシックに、表面発光型半導体レーザの半導体チップ内に組み込まれたポンピングレーザである。１つまたは複数のポンピングレーザおよび表面発光型半導体レーザをモノリシックに共通基板上に組み込むことは、基本的に、文献ＤＥ１００２６７３４号から公知であり、この文献の内容はこれによって参考として本願に組み込まれている。

表面発光型半導体レーザのレーザ共振器内には有利には、半導体レーザから放射されたビームを周波数変換するための素子が配置されている。ここで周波数変換とは殊に周波数倍化、例えば周波数の二倍化であってよい。例えば表面発光型半導体レーザは、赤外ビームを放射するために設けられた活性領域を有していてよい。ここで赤外ビームは、レーザ共振器内で可視光、特に有利には緑または青の可視光に変換される。レーザ共振器内に含まれる、周波数変換のために設けられた素子は例えば、光学的に非線形の結晶であってよい。

有利には共振器は放射波長を安定させるための波長フィルタを含み、これは例えばエタロン、二重屈折フィルタまたは帯域フィルタである。

表面発光型半導体レーザは有利には時間平均された、１０ｍＷ以上の出力パワーを有している。

本発明を以下で、実施例に基づき、図１〜４を参照してより詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に基づいた表面発光型半導体レーザの概略的な横断面図であり、
図２は、本発明の実施例での、時間ｔに依存したポンピングレーザの駆動電流強度Ｉの概略的なグラフであり、
図３は、本発明の実施例での、時間ｔに依存した表面発光型半導体レーザの光学的な出力パワーＰ_ｏｕｔの概略的なグラフであり、
図４は、本発明の別の実施例による表面発光型半導体レーザの概略的な横断面図である。

これらの図では、同一の素子または同じ機能を有する素子には同じ参照番号が付与されている。図示された素子は縮尺通りではなく、むしろ個々の素子はより分かりやすくするために誇張して大きく示されている。

図１に、概略的に横断面図で示された、本発明の第１の実施例に基づいた表面発光型半導体レーザは半導体チップ１を含んでいる。この半導体チップはビームを放射する活性層２を含んでいる。

活性層２は半導体チップ１内で、別の半導体層３の間に配置されている。これは例えば套層または閉じ込め層として構成されている。表面発光型半導体レーザの半導体チップの構成は当業者には基本的に知られており、ここでは詳細には説明しない。

さらに半導体チップ１内には反射体４が含まれている。ここでこの反射体は表面発光型半導体レーザによって放射されたレーザビーム７に対する第１の共振器ミラーである。この第１の共振器ミラー４は有利にはブラッグ反射体であり、これは多数の交互になった層対から構成されている。

半導体チップ１の半導体層２、３、４は例えば成長基板５上に成長する。熱導出を改善するために、半導体チップ１には有利にはヒートシンク６が結合されており、例えば、半導体層２、３、４と反対の方を向いている、成長基板５の背面に結合されている。ヒートシンク６は有利には、高い熱伝導率を有した金属、例えば銅から成る。択一的に能動的に冷却されるヒートシンクが設けられてもよい。このヒートシンクは、液体または気体が貫流する微小管を有している。

表面発光型半導体レーザは、少なくとも１つの別の共振器ミラー８を有している。ここでこの共振器ミラーは第１の共振器ミラー４とともに１つのレーザ共振器を構成する。この第２の共振器ミラー８は、半導体チップ１の外に配置された外部共振器ミラーであり、これは例えば、半導体チップ１の方を向いている側に、凹型湾曲を有している。

第１の共振器ミラー４と第２の共振器ミラー８が線形のレーザ共振器を構成している図１に示された実施例に対して択一的に、表面発光型半導体レーザは、共同で折り畳み型共振器を構成する、１つまたは複数の別の共振器ミラーを有することもできる（図示されていない）。

レーザビーム７の励起された放射のために、活性層２は、ポンピングレーザによる光学的なポンピングによって励起される。ポンピングレーザ１０は例えば半導体チップ１の外に配置された半導体レーザであり、これはポンピングビーム１４を半導体チップ１の活性層２内に放射する。

ポンピングレーザ１０から放出される本ピングビーム１４のポンピングパワーは、例えば１ＭＨｚ以上の周波数ｆ_ｐによって変調される。有利には、変調周波数ｆ_ｐは１０ＭＨｚより大きい。殊に、５０ＭＨｚ以上の変調周波数を設けることもできる。レーザ共振器の長さLはポンピンパワーの変調周波数に合わせられる。殊に変調周波数ｆ_ｐが高い場合には、表面発光型半導体レーザのレーザ共振器が比較的短い長さLを有しているのは有利である。レーザ共振器の長さLは、有利には３０ｍｍ以下である。特に、共振器の長さＬは２０ｍｍ以下であり、特に有利には１０ｍｍ以下である。

殊に、レーザ共振器の長さLが、所与の変調周波数ｆ_ｐの場合に、L〔ｍｍ〕≦２５０ｍｍ／ｆ_ｐ〔ＭＨｚ〕が当てはまる値を上回らないのが、有利であると判明している。

活性層２は有利には量子井戸構造として構成されている。概念「量子井戸構造」はここでは、閉じ込め（confinement）によって、電荷担体のエネルギーレベルの量子化が行われる、あらゆる構造を含む。殊に量子井戸構造という表現には量子化についての次元に関する規定は含まれていない。したがってこれには殊に、量子箱、量子細線、量子点およびこれらの構造の各組み合わせが含まれている。

表面発光型半導体レーザの活性層２は有利には、燐化物化合物半導体または砒化物化合物半導体に基づく。すなわち活性層２は有利にはＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}ＰまたはＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}ＡＳを含んでいる。ここで０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１である。殊に活性層２は赤外ビームを放射するのに適した量子井戸構造を有している。

択一的に、可視ビームまたは紫外ビームを放射する活性層を設けることができる。例えば活性層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを含み、ここで０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１である。

活性層２の半導体材料は必ずしも、上述の式のうちの１つの式に従った厳密に正確な組成を有している必要はない。むしろ、材料の物理的な特性を実質的に変えない１つまたは複数のドーピング材料並びに付加的な構成要素を有してよい。しかし分かりやすくするために、上述の式は結晶格子の重要な構成要素（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＰまたはＡｓまたはＮ）のみを含んでいるが、これらの構成要素は部分的に僅かな量の別の材料によって置き換え可能である。

本発明の有利な実施形態では、レーザ共振器内に、半導体レーザから放出されたビーム７の周波数を変えるのに適した素子９が含まれている。周波数変換素子９は、有利には非線形の光学結晶である。この周波数変換素子９によって有利には、放射レーザビーム７の周波数の倍化が行われ、殊に周波数は二倍にされる。

本発明の特に有利な実施形態では、活性層２は赤外ビームを放出する層である。ここで放出されたレーザビーム７は周波数変換素子９によって可視光、殊に緑の可視光に変換される。

ポンピングビーム１４は、有利には光学素子１１によって、半導体チップ１の活性層２に焦点合わせされる。光学素子１１は、回折性光学素子または屈折性光学素子であり、例えばレンズである。

ポンピングパワーP_ｐの高周波変調は有利には、ポンピングレーザ１０の動作電流強度の相応する高周波変調によって行われる。すなわちポンピングレーザ１０は高周波変調された電気的にポンピングされた半導体レーザである。

図２および３には、ポンピングレーザ１０および表面発光型半導体レーザの出力パワーP_ｏｕｔの動作電流強度Ｉの時間的な経過特性が例として概略的なグラフで示されている。表面発光型半導体レーザの半導体チップ１の活性層２が、高周波変調されたポンピングレーザ１０によって光学的にポンピングされることによって、表面発光型半導体レーザから放出されるレーザビーム７の出力パワーＰ_ｏｕｔも、ポンピングレーザの動作電流強度Ｉの変調周波数ｆ_ｐによって変調される。

できるだけ高い変調周波数を得るために、有利には、ポンピングレーザ１０の動作電流は次のように変調される。すなわち、ポンピングレーザのレーザ放出の励起に必要な閾値電流強度Ｉ_ｓを下回らないように変調される。さらに有利には、表面発光型半導体レーザの出力パワーもパワー閾値Ｐ_ｓを下回らない。この閾値を下回ると、レーザビームの出力が停止されてしまうであろう。これは例えば、図２および３に示された動作電流Ｉ_ｓおよび出力パワーＰ_ｏｕｔの時間的な経過特性では、破線１５の左側の領域の場合である。

本発明に相応する、表面発光型半導体レーザの別の有利な実施例が図４に概略的に横断面図で示されている。

この実施例の表面発光型半導体レーザは、半導体チップ１外に配置されたポンピングレーザを有していないという点で、図１に示された実施例と異なる。これとは異なり、図４に示された表面発光型半導体レーザは、半導体チップ１内にモノリシックに集積されたポンピングレーザ１２を含んでいる。このポンピングレーザ１２はエッジ発光型半導体レーザであり、ポンピングビーム１４を横方向で、表面発光型半導体レーザの活性層２内に放射する。表面発光型半導体レーザの活性層２は、横方向で、有利には両面で、ポンピングレーザ１２によって取り囲まれている。垂直方向ではポンピングレーザ１２は、別の半導体層３によって取り囲まれている。この半導体層は、殊にポンピングビーム１４に対する導波体として構成されており、ポンピングレーザ１２の活性層に電流を注入するために設けられている。

ポンピングレーザ１２を、表面発光型半導体レーザの半導体チップ１内にモノリシックに組み込むことは、以下の利点を有している。すなわち、外部ポンピングレーザのアライメントにかかるコストを省くことができるという利点である。さらに、表面発光型半導体レーザの活性層２内に、ポンピングビーム１４を横方向に入射することによって、効果的かつ均一に、活性層２を光学的にポンピングすることが保証される。

モノリシックに組み込まれたポンピングレーザ１２は電気的にポンピングされる半導体レーザである。ここでは電気的なコンタクト１３によって動作電流Ｉが注入される。

表面発光型半導体レーザの出力パワーＰ_ｏｕｔの高周波数変調は、図１に関連して上述した半導体レーザと同じように行われる。すなわち、モノリシックに組み込まれたポンピングレーザ１２の動作電流Ｉは、有利には１ＭＨｚ以上の変調周波数ｆ_ｐによって変調され、このようにして表面発光型半導体レーザの出力パワーＰ_ｏｕｔも、ポンピングレーザ１２の変調周波数ｆ_ｐによって高周波数変調される。

図１から３に関連して上述した、本発明の別の有利な構成は当然ながら、図４に示された実施例にも当てはまる。

本発明は、実施例に基づいた説明によって限定されない。むしろ本発明は、それらの特徴またはそれらの組み合わせ自体が明確に特許請求の範囲または実施例に記載されていない場合にも各新たな特徴ならびに特徴の組み合わせ（これは殊に特許請求の範囲の特徴部分の構成の各組み合わせ）を含む。

本発明の実施例に基づいた表面発光型半導体レーザの概略的な横断面図 本発明の実施例での、時間ｔに依存したポンピングレーザの駆動電流強度Ｉの概略的なグラフ 本発明の実施例での、時間ｔに依存した表面発光型半導体レーザの光学的な出力パワーＰ_ｏｕｔの概略的なグラフ 本発明の別の実施例による表面発光型半導体レーザの概略的な横断面図

Claims (15)

1. 表面発光型半導体レーザであって、
   半導体チップ（１）と、第１の共振器ミラー（４）と、少なくとも１つの別の共振器ミラー（８）と、少なくとも１つのポンピングレーザ（１０、１２）を有しており、
   前記少なくとも１つの別の共振器ミラーは、前記半導体チップ（１）外に配置されており、前記第１の共振器ミラー（４）とともに、共振器長（Ｌ）を有するレーザ共振器を構成し、
   前記少なくとも１つのポンピングレーザは、前記半導体レーザ（１）を光学的にポンピングするために、ポンピングパワーを有するポンピングビーム（１４）を前記半導体チップ（１）内に放射する形式のものにおいて、
   前記ポンピングパワーは変調周波数ｆ_ｐによって変調され、前記レーザ共振器は、当該変調周波数ｆ_ｐに合わせて調整された共振器長（Ｌ）を有している、
   ことを特徴とする表面発光型半導体レーザ。
2. 前記共振器長Ｌに対して：L〔ｍｍ〕≦２５０／ｆ_ｐ〔ＭＨｚ〕が当てはまる、請求項１記載の表面発光型半導体レーザ。
3. 前記変調周波数ｆｐに対して：ｆ_ｐ≧１ＭＨｚが当てはまる、請求項１または２記載の表面発光型半導体レーザ。
4. 前記変調周波数ｆｐに対して：ｆ_ｐ≧１０ＭＨｚが当てはまる、請求項１または２記載の表面発光型半導体レーザ。
5. 前記変調周波数ｆｐに対して：ｆ_ｐ≧５０ＭＨｚが当てはまる、請求項１または２記載の表面発光型半導体レーザ。
6. 前記共振器長Lは３０ｍｍ以下であり、有利には２０ｍｍ以下である、請求項１から５までのいずれか１項記載の表面発光型半導体レーザ。
7. 前記ポンピングパワーは、前記ポンピングレーザ（１０、１２）を駆動する電流Iの変調によって変調される、請求項１から６までのいずれか１項記載の表面発光型半導体レーザ。
8. 前記ポンピングパワーは、変調動作中に前記ポンピングレーザ（１０、１２）のレーザ閾値を下回らないように変調される、請求項１から７までのいずれか１項記載の表面発光型半導体レーザ。
9. 前記表面発光型半導体レーザのレーザ閾値を、変調動作中に下回らない、請求項１から８までのいずれか１項記載の表面発光型半導体レーザ。
10. 前記ポンピングレーザ（１２）は、前記表面発光型半導体レーザの半導体チップ（１）内にモノリシックに組み込まれている、請求項１から９までのいずれか１項記載の表面発光型半導体レーザ。
11. 前記ポンピングレーザ（１０）は前記半導体チップ（１）外に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の表面発光型半導体レーザ。
12. 前記レーザ共振器内に、前記半導体レーザから放出されたビームの周波数を変換する周波数変換素子（９）が配置されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の表面発光型半導体レーザ。
13. 前記周波数変換は、周波数倍化、殊に周波数の二倍化である、請求項１２記載の表面発光型半導体レーザ。
14. 前記半導体チップ（１）は赤外ビームを放出し、当該赤外ビームは前記周波数変換素子（９）によって、可視光、殊に緑色の可視光に変換される、請求項１２または１３記載の表面発光型半導体レーザ。
15. 前記表面発光型半導体レーザの光学的出力パワーは１０ｍW以上である、請求項１から１４までのいずれか１項記載の表面発光型半導体レーザ。

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