JP2011512681A - 電気的にポンプされる空洞がジグザグに延長された半導体表面放出レーザ及びスーパールミネセントｌｅｄ - Google Patents

Abstract

半導体表面放出光増幅器チップは、光増幅器チップ内にジグザグ光路を使用する。ジグザグ光路は、２つまたはそれ以上の利得要素を結合する。個々の各利得要素は１つの円形開口を有し、また１つの利得領域及び少なくとも１つの分布ブラッグレフレクタを含む。一実施の形態では、光増幅器チップ互いに離間した少なくとも２つの利得要素を含み、充填率は0.5より大きくない。その結果、総合光利得を増加させることができる。光増幅器チップは、スーパールミネセントＬＥＤとして動作させることができる。代替として、光増幅器チップは、空洞が延長されたレーザを形成するように外部光学要素と共に使用することができる。個々の利得要素は、利得スイッチングまたはモードロッキングを支えるように逆バイアスモードで動作させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般的には、半導体表面放出レーザに関する。より特定的には、本発明は、ジグザグ形態を使用することによって空洞が延長された表面放出半導体レーザ構造の性能を改善することを指向する。

この出願は、米国出願第６１／０６５８１７号（２００８年２月１４日出願）の利益を主張するものであり、参照によりその全体がここに援用される。
光学的にポンプされるソリッドステートＮｄ：ＹＡＧスラブレーザは、ソリッドステートレーザの重要な部類である。Ｎｄ：ＹＡＧスラブレーザの１つの型は、図１に示すようなジグザグスラブジオメトリである。ジグザグスラブジオメトリでは、Ｎｄ：ＹＡＧスラブは矩形断面を有している。スラブは、レーザビームがスラブに入り、そして出ることができるように傾斜したファセットを含んでいる。スラブは、２つの大きな対向するファセットを有する。図１の従来技術に示すように、スラブはその全長にわたって、対向する面を通して照射することにより光学的にポンプされる。ファセットの傾斜角によって、ビームは（スネルの法則により）ある角度でスラブ内に進入し、対向する面において内部全反射させられる。ファセットの傾斜角及び他の設計ファクタを適切に選択することによって、ビームは、内部全反射によりスラブの全長をジグザグに下って行く。即ち、光ビームは、スラブの全長に沿ってビームが２つの大きい対向面の間を往復反射する交互経路を辿るように、一連の内部反射を繰り返す。スラブレーザにフィードバックを与えるために、付加的なレトロレフレクタが設けられている。伝統的なジグザグソリッドステートレーザジオメトリの背景情報が、1976年Springer Verlag版ソリッドステートレーザエンジニアリングの392〜394頁に所載のW. Koechnerの論文、1992年４月ＩＥＥＥ １．量子エレクトロニクスの第28巻第４号の992頁に所載のB.J. Comaskeyetらの論文 “ダイオードにポンプされる高平均パワースラブレーザ”、及び1994年１月オプティックスレターズの第19巻第２号の114頁に所載のA.D. Farinasらの論文“5.5Ｗ連続波、注入ロックされ、ファイバ結合され、レーザダイオードによってポンプされるＮｄ：ＹＡＧミニチュアスラブレーザの設計及び評価”に記述されているので参照されたい。

普通のＮｄ：ＹＡＧスラブレーザの一面は、それがスラブのボディ全体にわたって光学的にポンプされることである。即ち、ビームは、ビームがジグザグ走行するスラブの全長に沿って光学的利得を得る。更に、普通のＮｄ：ＹＡＧジグザグスラブレーザは、ソリッドステートレーザの利得スペクトルが比較的小さく、屈折率特性の変動が比較的小さいことから利益を得ている。それ故、普通のＮｄ：ＹＡＧスラブレーザは、高品質レーザ出力を発生させるために使用することができる。

これに対して、所望の光モード特性を有する効率的な、高パワー半導体レーザを実現するには、ジグザグレーザジオメトリが実際的ではないことが既に検証されている。半導体レーザは、比較的広い利得スペクトル、高めの利得係数、及び温度及びポンピングレベルに対する高い屈折率感度を有している。空間及び縦方向モードにおいて種々の光学的不安定性を生ずることなく、利得材料の大きい面積及び体積から高パワー出力を達成することは困難である。例えば、大きい幅にわたってポンプされるスラブジオメトリ半導体レーザは、複数の横方向モードでレージングする傾向があることが知られている。即ち、典型的な半導体の利得が大きい故に、スラブジオメトリ半導体レーザ及び増幅器における寄生レージングを抑圧するためには特別な努力を要することが多い。例えば、高充填率レーザバーにおいては、それを巡るエミッタストライプ間に深い絶縁トレンチをエッチングしない限り、横方向レージングが発生し得る。その結果として、典型的な半導体材料の利得が大きいために、寄生レージングを抑圧するための設計が共通の問題になっている。大面積半導体レーザは、キャパシタンスが大きく（ＲＣ時定数が大きく）、高い変調電流が必要であり、種々の態様の不安定性が生成されるために、それを変調することも実際的に困難である。

従来、幾つかの半導体ジグザグレーザが提唱されてきた。しかしながら、それらは各々が重大な欠陥を有しているために、それらを他の型の半導体レーザの実用的な代替として使用することはできなかった。

ジグザグ半導体レーザを実現する１つのアプローチが、KlimekのUSP Pub 2003 / 0012246 “半導体ジグザグレーザ及び光増幅器”（以下、単にKlimekという）に開示されている。しかしながら、Kilmekには数多くの欠陥が存在するために、安定な大面積光モードを有する効率的な、電気的にポンプされるレーザを達成するためにこの設計を使用することはできない。Kilmekに開示されているエピタキシャル層設計アプローチは、普通のソリッドステートスラブレーザのための設計に極めて近い。この半導体構造は２つのクラッディング層の間にサンドウィッチされた活性領域を含み、これは普通のエッジ放出半導体レーザに類似している。活性領域は、ｐドープされた領域及びｎドープされた領域を含む。Klimekは、光学的ポンピング及び電気的ポンピングの両方を記述しているが、効率的な電気的ポンピングを行う実際的な手段については記述していない。電気的ポンピングを用いる実施の形態は、頂部と底部の電気接点の間にｐ−ｎレーザダイオードを形成させるために、一方のクラッディング層をｐドーピングし、また他方のクラッディング層をｎドーピングする必要があることが理解されよう。従って、Klimekの電気的にポンプされる実施の形態においては、光モードは、ｎ及びｐドープされた活性領域、及びｎ及びｐドープされたクラッディング領域の両方を通るジグザグ経路を辿るので、かなりの光損失がもたらされる。更に、ジグザグ経路は、活性領域に沿って一連の節及び波腹を有している。その結果、利得が効率的に利用されなくなる。

更に、Klimekが開示した電気的にポンプされる実施の形態は、他に幾つかの実際的な問題も伴っている。Klimekは、光クラッディング層をエピタキシャル成長させると記述している。しかしながら、ドープされたクラッディング層を高い光学的及び材料品質を有するように、且つ効率的な設計と一致する合理的な低電気抵抗を有するように成長させることができる厚みには実際的な限界が存在する。同種のエッジ放出レーザ構造においては、クラッディング領域の厚みは典型的に数ミクロンしかなく、電気抵抗が低いのでドープされた層内の望ましくない光損失は最小になる。しかしながら、もしKlimek内にこのような効率的なレーザ構造を使用すれば、それは垂直モードを数ミクロンの寸法（即ち、厚みが数ミクロンしかないクラッディング層を有するレーザ構造内におけるモードのバウンシングと一致する寸法）に制限することになろう。従って、効率的な電気的にポンプされるKlimekの実施の形態は、クラッディングの厚みに対する制限のために、少なくとも１つの次元内に小さいスポットサイズを有するようになる。Klimekは、光を半導体チップ内へ、及びチップ外へ結合する実際的手段も開示していない。Klimekは角度付きファセットを有する１つの実施の形態を開示してはいるが、殆どの半導体においてこのような角度付きのファセットを制御された角度で製造することは困難である。詳述すれば、殆どの半導体の自然へき開又はクリーベッジ（cleavage）及びエッチング面は、スラブレーザに必要とされるものと同一の角度で出現しない。Klimekの別の実施の形態は、光を半導体チップに結合するためにマイクロプリズム要素を使用している。しかしながら、これらのマイクロプリズムは、このような小さい物理的スケールで実現するのは困難であり、また望ましくない付加的な位置合わせ及びパッケージングステップが必要になろう。更に、Klimekは、スラブが大きい横方向サイズを有していることを教示している。しかしながら、これは、大面積エッジ放出レーザにおいて観測されるように、レーザ内に複数の横方向モードの生成を、または１つの極端な場合には寄生横方向レージングをもたらす傾向がある。Klimekは、寄生レージングをどのように抑圧するかについては教示していない。Klimekは、提唱した構造の実際の寸法に関するガイドラインも与えておらず、またレーザから熱を散逸させ、除去するための、及びエピタキシャル構造内のストレスに対処する解決策も提案していない。Klimekは、記述した材料が、内部全反射を与えるための正しい屈折率を有していない場合のような、動作不能な例を含む他の欠陥をも有している。

ジグザグ状経路を有する半導体レーザを実現する別のアプローチが、Aram MooradianのUSP 5,131,002 “光学的にポンプされる外部空洞レーザ”（以下、Mooradian特許という）に開示されている。Mooradian特許は、光ポンプ源のアレイを使用して半導体ウェーハの一連の活性領域内の半導体材料を光学的にポンプすることを開示している。各活性領域は、ＡlＧaＡsのクラッディング層の間にサンドウィッチされたＧaＡsのような活性半導体レーザ材料を含む。エピタキシャル構造が、数ミクロン乃至数十ミクロンの厚みを有するように記述されている。しかしながら、Mooradian特許は内部全反射を利用していない。その代わりに、２枚の付加的な鏡を使用することによってジグザグ経路が生成される。底部鏡は、基板の底上に形成される。従って、Mooradian特許において光モードを底部鏡によって反射させるには、光モードが半導体層及び基板の全てを横切らなければならない。第２の（頂部）鏡は、ウェーハ上に位置決めされる。Mooradian特許は、活性領域をどのようにして電気的にポンプするかに関しては記述していない。更に、Mooradian特許は、安定な光ビームを有する効率的なレーザを作るのに必要な他の種々の細部に関しても記述していない。Mooradian特許の欠陥の若干が、MefferdらのUSP Pub. 2006 / 0251141に記述されている。Mefferdらは、その明細書のパラグラフ［０００８］−［０００９］において、Mooradian特許が、ポンプされる延長された領域の冷却、チップ全体の平坦さの変化に起因する潜在的なミスアラインメント、及び効率的な共振器を達成するためには活性領域の面積を４倍まで変化させる必要があること等の欠陥を受けると指摘している。事実、上記USP Pub. 2006 / 0251141はこれらの諸問題を解消するために、複数の分離したチップ及び外部折りたたみ鏡を有する複雑な構造を使用することを提唱している。

WasserbauerのUSP Pub. 2006 / 0176544は、光増幅器の長さに沿って光がジグザグ経路内を走行するような光増幅器構造を開示している。この光増幅器は均一にポンプされ、リッジ導波器のような横方向導波器を設けてあると記述されている。活性領域は、頂部及び底部分布ブラッグレフレクタ鏡の間にサンドウィッチされている。光ビームは増幅器に進入し、底部レフレクタに当たり、利得領域を通過し、頂部鏡で反跳し、底部鏡に向かって下方に導かれるというように、光モードが増幅器の全長を通して走行してしまうまで走行し続ける。しかしながら、この増幅器設計はいろいろな欠陥を有している。第１に、光利得を使用することは、潜在的に非効率である。それは、増幅器全体がポンプされる一方で、経路がジグザグであるために、そのジグザグ経路が利得領域に沿って一連の節及び腹をもたらすからである。第２に、スポットサイズが、比較的小さいスポットサイズに制限される。横方向次元におけるスポットサイズは、横方向案内を横切ることによって、約数ミクロン程度に制限される。第３に、垂直次元におけるスポットサイズも、エピタキシャル鏡の厚みに一致する数ミクロン程度に制限される。これらの種々の考察に鑑みて、この増幅器は、大きいスポットサイズを有する効率的な、高パワーレーザの基準として使用することはできない。

以上のように、従来技術は望ましいビーム特性を有するジグザグ型半導体レーザに対する長期間にわたる要望を示唆しているが、この目的は未だに達成されていない。従来技術において提唱された解決策は、効率的で高パワーを出力することができ、大きいスポットサイズを有し、且つ利得スイッチドまたはモードロックド構成で効果的に使用することができる電気的にポンプされる半導体レーザを達成したとは言い難い。

一実施の形態によれば、１組の分布型の及びスケール可能な半導体利得要素のセットが共通基板上に形成され、電気的にポンプされ、各利得要素が増幅を行うようになっている。各利得要素は、再生型（regenerative）であることができる。光ビームは、非垂直の入射角で利得要素に進入し、出て行く（即ち、ジグザグ光経路）。鏡を用いないか、または１つの反射要素だけを用いることによって、この構造を使用して高パワー増幅されたスーパールミネセント放出を達成することができる。

鏡または反射表面を光ビーム経路の両端に位置決めすると、それらは電気的にポンプされるジグザグ半導体レーザのためのレーザ共振器を形成する。電気的には、レーザは、シングルサイデッド、またはダブルサイデッドの接点を有するように作ることができる。レーザは、スタンドアローンレーザ、主発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）であることができ、空洞内に格子要素またはエタロンを付加することによって単一の縦方向モードで動作するようにすることができる。

シングルサイデッドレーザは、１つまたはそれ以上の利得要素上の電気極性を反転させ、レーザ空洞内に損失を導入することによって、利得スイッチドまたはモードロックド構成とすることができる。この構造は本質的に一般的なものであり、広範な半導体材料構成で実現することができ、従って広い波長帯をカバーすることができる。

レーザは、空洞内または空洞外の何れかの非線形コンバージョンを使用して周波数を２倍にすることができる。

以下の添付図面に基づく詳細な説明から、本発明をより完全に理解することができよう。添付図面の幾つかを通して対応する部分に対しては類似の参照番号を付してある。

従来技術による従来のＮd：ＹＡＧスラブソリッドステートジグザグレーザを示す図である。 本発明の一実施の形態による下側接合ジオメトリを有する半導体ジグザグ外部空洞表面放出レーザの概要側面図、及び電気的にポンプされる利得要素の１つの断面図である。 本発明の一実施の形態による上側接合ジオメトリを有する半導体ジグザグ外部空洞表面放出レーザの概要側面図、及び電気的にポンプされる利得要素の１つの断面図である。 増幅器チップの概要断面図であって、モードが利得要素に進入し、分布ブラッグレフレクタから空洞内へ反射して戻される時のチップ内の空間ガウスモードプロファイルを示す図である。 スーパールミネセントＬＥＤの実施の形態の概要側面図である。 空洞内に損失を生じさせ、利得スイッチングまたはモードロッキングを可能にするために、１つまたはそれ以上の利得要素を順バイアスできるようにし、また１つまたはそれ以上の利得要素を独立して逆バイアスできるようにした下側接合の実施の形態の概要側面図である。 空洞内に損失を生じさせ、利得スイッチングまたはモードロッキングを可能にするために、１つまたはそれ以上の利得要素を順バイアスできるようにし、また１つまたはそれ以上の利得要素を独立して逆バイアスできるようにした上側接合の実施の形態の概要側面図である。 本発明の一実施の形態によるＺＥＣＳＥＬの空洞内において周波数を２倍にするための概要側面図である。 本発明の外部空洞において２倍にする実施の形態の概要側面図であって、ＺＥＣＳＥＬレーザが利得スイッチドまたはモードロックド構成で単一周波数レーザとして動作する本発明の実施の形態を示している。 ＺＥＣＳＥＬと従来技術半導体レーザの輝度の比較図である。

本発明の実施の形態は、低光損失基板内のジグザグ光路によって互いに光学的に結合され且つ電気的にポンプされる複数の半導体利得要素を有する単一チップ光増幅器を使用する新しい型の高輝度表面放出半導体レーザ及びスーパールミネセントＬＥＤに関する。光増幅器チップは、個々の利得要素を用いて可能であるよりも、高い累積光利得を可能にする。個々の利得要素は、高パワー増幅器またはレーザ動作を支え、青及び紫外を含む異なる波長のために広範に異なる半導体材料を使用する。更に、個々の利得要素は、利得スイッチングまたはモードロッキングのために光損失を調節する逆バイアスされたｐ−ｎ接合変調器として別々に変調することができる。光増幅器チップは、表面放出レーザ、スーパールミネセントＬＥＤ（ＳＬＥＤ）、空洞内において周波数を２倍にするレーザ、または空洞外において周波数を２倍にするレーザとしての用途を含む応用を有している。

図２は、本発明の一実施の形態を示す図であって、光増幅器チップ２００、再生半導体利得増幅器要素１（何れも例）、及び光増幅器チップ２００の内部の光空洞の部分内のジグザグ光路２０５を示している。光増幅器チップを１つまたはそれ以上の外部レトロレフレクタ２１０、または他の外部要素と組合せて使用し、延長空洞レーザ（外部レトロレフレクタ２１０を使用して共振器空洞を形成させている延長空洞レーザのような）を形成することができる。従って、あるレーザ構成における光ビーム経路１１は、光増幅器チップ２００内のジグザグ光路２０５と、共振器空洞の外部部分内の光ビーム経路１１の部分とを含む。付加的なレトロレフレクタ２１０を有するレーザ構成を、以下「ＺＥＣＳＥＬ（ジグザグに延長された空洞表面放出レーザ）」という。

光学チップ２００は、一連の概ね平行な層と、異なる屈折率のような異なる材料特性を有する層の間の関連境界とを含む。光学チップ２００は、光を光増幅器チップ２００内へ、及びそれから外へ結合するための、基板層２５の第１の境界３２上の表面領域３１を含む。これらの表面領域３１は、光を光利得増幅器内へ、及びそれから外へ効率的に結合するために、反射防止（ＡＲ）コーティング３０を含むことが好ましい。ＡＲコーティング３０は、光学チップが光利得を与える波長範囲付近において低反射率を有している。しかしながら、ＡＲコーティング３０は二色性であることも、また他の波長帯域において高度に反射性（ＨＲ）であることもできることを理解されたい。例えば、もし光学チップを、外部空洞内の光周波数ダブラー要素と共に使用するのであれば、ＡＲコーティング３０は周波数を２倍にされた波長においては高反射性であることが望ましいであろう。

光をジグザグ経路に導くために、第１の境界３２上に反射表面４１が設けられている。これらの反射表面は、低屈折率ｎ１を有する（内部全反射によって反射を生成させるための）層、誘電体層高反射率コーティング、分布ブラッグレフレクタ、または金属コーティングを含むことができる。

反射境界３２、３３、及びＤＢＲ ３及び４において反射する際の異なる偏光に対する反射係数の差によって、偏光を弁別することができる。多くの応用においては、出力光が線形に偏光していることが望ましい。反射表面４１用の材料の選択、反射表面４１の反射の回数、及び反射表面４１上への入射角も、部分的偏光を弁別できるように選択することができる。一実施の形態では、これらのパラメータは、単一の線形偏光が選択され、従って分離した偏光用構成要素に対する要求を排除するように選択される。

基板層２５は、第２の（内部）境界３３を有している。一連のエピタキシャル成長させた半導体層２７が、第２の境界３３に結合されている。幾つかの実施の形態においては、基板層２５は半導体基板であり、エピタキシャル成長半導体層２７が基板層２５上に成長されている。しかしながら、より一般的な基板層２５は、堆積技術を使用して、または基板結合技術によって形成させることができる。例えば、幾つかの実施の形態においては、基板層２５は、ガラス、スピンオンガラス、または光学的に透明なポリマーから形成される。

基板層２５は、光増幅器チップ２００の企図される動作波長においては実質的に光学的に透明である。一例では、企図される動作波長部分における基板層２５を通る光路の合計光損失を、光利得に比して低くすることができる。別の例では、絶対光損失を低く選択することができる。代替として、基板層２５は、正常動作中の光損失が他の光損失に比して低くなるように、飽和可能な光損失を有することができる。

少なくとも２つの個々の半導体再生利得要素１のセットが、エピタキシャル成長された半導体層２７内に形成される。図２には２つだけの再生利得要素１が示されているが、より一般的には、少なくとも２に等しい何れかの数Ｎ（例えば、２、３、４等）のような他の数の利得要素１を含むことができる。この再生利得要素の数Ｎは、特定応用の必要に応じてスケールアップされる。各再生利得要素１は直径ｄを有しており、隣接する利得要素とは中心間距離Ｓだけ離間している。充填率ｄ／Ｓは、0.5より大きくないことが好ましい。約0.5またはそれ以下の充填率を選択することによって個々の再生利得要素１の間の熱クロストークが低下するので、光増幅器チップの熱特性が改善され、効率的な熱抽出が可能になる（即ち、チップの十分な熱管理が得られる）。更に、この配列の他の利点も存在する。後述するように、個々の再生利得要素は、各再生利得要素１の利得領域内に光学的な腹（高強度の光の強さ）を有するガウスの空間モードを主として維持するように、十分な距離だけ離間している。

図２の下側部分は、個々の再生利得要素１の例をより詳細に示している。個々の再生利得要素１は、増幅器として動作するには十分な利得を与えるが、個々のレーザとして動作するには十分な利得を有していない。例示した再生利得要素は、活性利得領域１０と、光をジグザグ光路２０５内へ反射させて戻すための少なくとも１つの分布ブラッグレフレクタ（ＤＢＲ）３とを含んでいる。再生利得要素は、電流を閉じ込め、空間モードを弁別するためにメサ構造を使用することができる。丸いメサ構造をエッチングして、大きい光開口を形成することができる。この光開口は、直径が５乃至250μｍであることができる。直径ｄの選択には、多くのトレードオフが含まれる。もしメサの直径が小さ過ぎれば、パワー出力が低下する。しかしながら、直径が約200ミクロンより大きい場合には、空間モードを制御することがより困難になり得る。従って、これらのトレードオフを斟酌すると、高パワー動作を行わせるためのより典型的な範囲は、約20乃至100μｍの範囲内にある。メサは、活性領域内の寄生横方向レージングを防ぐように設計すべきである。１つのアプローチは、メサの壁に角度を付けるようにエッチングすることである。電流は、陽子の注入、横方向酸化または他の等価手段を使用することによって閉じ込められ、電気的にポンプされる領域がメサの中央に位置することを可能にする。メサは、パッシベーション用誘電体層１２でカバーされる。チップへの電気接点は、誘電体層内に開口をパターン化し、ｐ及びｎ金属接点５及び６を堆積させることによって形成される。

本発明においては、少なくとも２つの再生利得要素を使用し、ジグザグ光路が光を非垂直入射角で各ＤＢＲへ進入させ／出て行かせる。

本発明は、個々の表面放出レーザのために既に開発されているウェーハレベル処理技術を利用するウェーハレベル製造技術を使用して実施することができる。１つの利得領域及び少なくとも１つのＤＢＲを有するメサ型半導体利得構造は、単一の利得領域を有し光が垂直入射角で各ＤＢＲに当たるようになっている垂直延長空洞型表面放出レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）に関連して周知である。メサ構造、利得構造、メサ構造及び外部光要素を使用する空間モード制御、及び延長空洞設計に関しては、USP 7,189,589、6,404,797、6,778,582、7,322,704、及び6,898,225を参照されたい。詳述すれば、ＶＥＣＳＥＬ技術においては、約５ミクロン乃至250ミクロンの直径を有するメサ構造が主たるガウス空間モードを支え、５ミクロン乃至200ミクロンが好ましい範囲であることが知られている。しかしながら、従来技術のＶＥＣＳＥＬ構造は、多くの波長範囲においてレージングするのに十分な合計光利得に欠け、また幾つかの応用に関しては支えている波長範囲においてさえ十分な輝度が得られなかった。

再生増幅構造を有する例示的な個々のレーザ利得要素１は、底部分布ブラッグレフレクタ（ＤＢＲ）３、活性領域１０、及び（オプションとして）頂部ＤＢＲレフレクタ４を有している。再生増幅においては、２つのＤＢＲレフレクタ３及び４は、付加的な外部フィードバックを用いなければ、個々のレーザ利得要素自体をレージングするのに十分なフィードバックをそれへ供給することはない。頂部ＤＢＲレフレクタ４の反射率の選択が、再生増幅特性及び光損失を制御する。

底部ＤＢＲレフレクタ３は、極めて高い反射率を有することが好ましく、例えば、十分な数の高／低率のλ／４対を用いることによって99％より高い反射率を実現することができる。材料は、半導体、誘電体、または半導体／金属、または誘電体／金属の混成体であることができる。誘電体ＤＢＲの場合には、誘電体材料内においてより大きいコントラスト比を達成することができるので、対の数は少なくてよいであろう。この選択は、半導体の選択が好ましい場合には、熱伝導率の最適化をも含む。

本発明においては、半導体材料の内側での入射ビームの角度を斟酌するように、高反射率ＤＢＲ鏡が設計される。詳細は後述するが、スネルの法則から、及び各界面に垂直な表面に対する入射角を考慮することによってジグザグ経路を決定することができる。例えば、θ３はＧaＩnＡlＮ／ＧaＡlＮ材料系の場合には13乃至25度程度であり、ＡlＧaＡs系の場合には13乃至16度程度であり、ＧaＰ基板の場合には8.5乃至16度であり、そしてＧaＡsの場合には10乃至16度である。高反射率ＤＢＲ鏡は、全ての場合の最大反射率を最適化することができる。

もし使用するのであれば、頂部ＤＢＲレフレクタ４は０乃至60％の反射率を生成させるのに十分な数の高／低率のλ／４対を用いて実現することができる。ＤＢＲレフレクタ４のＤＢＲは、多分半導体材料から形成されよう。頂部ＤＢＲ鏡４はオプションであり、幾つかの材料系で実現することは困難であろう。ジグザグレーザは、それ無しで動作するのに十分な利得を有している。例えば、一実施の形態においては、ＧaＡsをベースとする材料系においてはそれを使用することが考えられるが、ＧaＩnＡlＮ／ＧaＡlＮ材料系においては企図されていない。

一実施の形態においては、活性層１０は量子ウェルまたは量子ドット材料で構成されている。この実施の形態においては、量子ウェルがドープされていないものとしている。ウェルの数及びそれらの厚みは、現在のエッジエミッタ設計に使用されているもの（１つ乃至４つの量子ウェル）と類似している。これは、ラウンドトリップ利得が制限されるＶＥＣＳＥＬデバイス（典型的には、10またはそれ以上）におけるよりもかなり少ない量子ウェルであることを表している。

活性領域は、ｎドープされた半導体層８及びｐドープされた半導体層９によって取り囲まれている。この実施の形態においては、ｎ型基板上にエピタキシを成長させるものとしている。代わりに、ｐ型基板が使用されている場合には、ｎ及びｐ層を反転させることができる。ｐ層オーミックコンタクトの代わりにｐ+／ｎ+ トンネル接合を使用し、標準のｐ−ｎ接合構成の代替としてレーザが２つのｎ型電極を有するようにすることもできる。例えば、ｎ及びｐ型ＧaＮ層の間にサンドウィッチされたｐ+／ｎ+ トンネル接合を使用することによって、ＧaＮ材料内に第２の接点を作ることができる。この場合、電気接触はｎ型ＧaＮ層に対してなされる。

典型的に、材料内の屈折率の熱依存性と、比較的高い電流密度、及び比較的大きい利得領域の直径とが組合わされて、材料内に熱レンズ７が形成される。熱レンズ７は、比較的ゆっくり（数十マイクロ秒程度、またはそれより長い時間であることがあり得る）出現する（即ち、この出現は熱時定数に依存する）。熱レンズは、普通のＶＥＣＳＥＬを迅速に変調することを困難にするので、普通のＶＥＣＳＥＬにおいては望ましいものではない。即ち、単一の利得要素を有し且つＤＢＲの面に対して垂直に光を放出するＶＥＣＳＥＬにおいては、デバイスがターンオンしてヒートアップされると熱レンズが形成され、普通のＶＥＣＳＥＬの電流をＭＨｚ範囲の周波数で直接変調しながらパワー及びビーム品質を維持することが困難になる。

これに対して、本発明のジグザグジオメトリは、ジグザグ経路が１組の２つまたはそれ以上の個々の熱レンズにまたがる集束効果を平均化するので、出力ビームに対する熱レンズ７の衝撃を減少させる。即ち、個々の各レンズ７は一方向に進入する光の場合には収斂し、別の方向に進入する光の場合には発散する。更に、ジグザグ経路は、僅かに異なるレンズ特性を有する２つまたはそれ以上の利得要素を含む。その結果、正味（平均）集束を平均化することができる。即ち、Ｎd：ＹＡＧスラブレーザに類似する態様で実質的に打ち消し合うように選択することができる。例えば、1983年のＪＥＥＥ量子エレクトロニクス会報ＱＥ−１９巻第９号の1351−1354頁に所載のKaneらの論文“ジグザグスラブジオメトリ結晶レーザにおける減少した熱集束及び複屈折”を参照されたい。本発明においては、これは、熱レンズがゆっくり出現しても、ＺＥＣＳＥＬデバイスの直接変調には最小の衝撃しか与えないことを意味している。

図２の上側は、構造例を構築している異なる層の間の光ビームのジグザグ経路２０５をも示している。この構造は、屈折率ｎ１、ｎ２、及びｎ３をそれぞれ有する３つの基本層２０、２５、及び２７のスタックとして、スネルの法則を使用して解析することができる。図示した例において、層２５は高さｈ１を有し、低損失基板またはスピンオン層のような、低光損失層であることができ、層２７は高さｈ２を有し、その中に個々の利得要素が形成されるエピタキシャル半導体層に対応させることができ、そして層２０は、空気、または１つまたはそれ以上の付加的な製造済みの層であることができる。好ましい実施の形態においては、ｎ３＞ｎ２＞ｎ１である。ビームは、頂部レフレクタ界面４１において反射する。頂部レフレクタ界面４１は、誘電体コーティング、金属コーティング、または組合せであることができる。高率材料の場合には、内部全反射を使用することが可能である。この構造は、層２０と層２５との間の低損失伝送を許容するために、反射防止（ＡＲ）コーティング３０を有することが好ましい。従って、例示した構造は、１つの平坦な入口と複数の出口窓領域を有している。設計に依存して、層２０は空気であることも、または別の基板材料であることもできる。

ジグザグビーム経路は、異なる屈折率を有する層間の各境界においてスネルの法則を使用して解析し、屈折した光ビームの角度を計算することができる。スネルの法則は、
ｎ１ sin（θ１）＝ｎ２ sin（θ２）
であり、異なる屈折率を有する材料間の各境界において適用することができる。

例示した利得要素の直径ｄは、20μｍから100μｍまでの範囲である。２つの利得要素間の最適離間距離Ｓは、熱を検討することによって、また安定な単一の空間モードを維持するように決定される。詳述すれば、もしＳが小さ過ぎれば、利得要素は熱クロストークを受け、熱抵抗が増加する。更に、Ｓは、基本的なガウスの空間モードで有利に動作させるために、空間モードを弁別できるように選択することができる。高パワーレーザ及びＳＬＥＤの場合、中心間距離は＞200μｍであることが好ましい。中心間距離Ｓは、低光損失層２５の厚みを選択することによって制御することができる。詳述すれば、中心間距離Ｓは、熱クロストーク及び／または熱抵抗を減少させるように、各利得要素の直径ｄに対して選択することができる。更に、Ｓは、単一の空間モードを支えるように選択される。一例として、特定の応用においては、熱クロストーク及び熱抵抗の理由から、ｄ／Ｓの比をある最大数に選択することが望ましいかも知れない。例えば、もしＳが200ミクロンであり、ｄが100ミクロンであれば、比ｄ／Ｓ＝0.5である。この例では、利得要素の間のエッジ間距離は100ミクロンである。本発明の一実施の形態によれば、利得ブロック内へのビームの進入角及び層の厚みは、Ｓ及びｄ／Ｓを制御できるように選択される。

図２に示す例においては、ｈ１＞ｈ２であり、ジグザグ経路の大部分は低損失基板層２５を含む低光損失基板領域を通る。従って、ビームはＡＲ窓３０を通して進入し、各利得要素１において光利得を受け、そして低損失基板２５を通過するジグザグ経路の各脚に沿って僅かに減衰させられる。しかしながら、本発明によれば、基板２５の材料組成及び厚みは、利得要素１の累積利得に比して低い光損失が得られるように選択することが好ましい。

当業者ならば理解されるように、この概念は多くの材料系で実現可能であり、処理を容易にし、製造費を低くするように最適化することができる。第１の例として、ＧaＩnＡlＮ／ＧaＡlＮ材料系を考えよう。この場合、ＧaＮをベースとする材料ではｎ３≒2.3であり、サファイア（Ａl₂Ｏ₃）ではｎ２＝1.77であり、空気ではｎ１＝１である。この場合、サファイアの厚みｈ１が30乃至75度の入射角θ１に対応してそれぞれ340μｍ乃至154μｍであれば、利得要素間の離間距離は＞200μｍになる。これは、この材料系にとっては大きい動作スペースである。従って、サファイアの厚みを合理的に選択することによって、熱負荷を拡散させるような充填率を選択することができる。別の実施の形態においては、空気の場合ｎ１＝１であり、スピンオンガラスまたはＰＭＭＡの場合ｎ２＝1.5であり、ＧaＡsをベースとする材料系の場合ｎ３＝3.6である。この場合、40度乃至75度の入射角θ１に対してｈ１は211μｍから119μｍまで変化する。第２の例において、基板材料がＧaＡlＡsまたはＧaＰをベースとするものとすれば、空気の場合ｎ１＝１であり、ＡlＧaＡsの場合ｎ２＝3.4、またＧaＰの場合にはｎ２＝3.2であり、ＧaＡsの場合ｎ３＝3.6である。ｎ２＝3.4の場合の基板の厚みｈ１の有用範囲は、604μｍから506μｍまでである。これは、55乃至75度の入射角θ１に対応する。これは入手可能な基板の実用的範囲であり、またこれは個々のチップのソーイングを斟酌している。ｎ２＝3.2の場合の基板の厚みｈ１の範囲は、596μｍから315μｍまでである。これは、それぞれ32乃至75度の入射角に対応する。

光増幅器チップ２００は、熱伝導ヒートシンク２上に取り付けられる。一実施の形態においては、ヒートシンク材料は電気絶縁体（ＢeＯ、ＡlＮ、ダイアモンド等）であり、半導体チップ上の電気接点とマッチするようにパターン化されている。この場合、ｎ及びｐ両接点は、チップの底部にある。利得要素は、直列または並列の何れかで電気的に接続することができる。以下、これを“シングルサイデッド”構成と呼ぶことにする。この取付け構成は、利得要素のｐ−ｎ接合がヒートシンクの直近に取り付けられているので“下側接合”構成である。

別の実施の形態においては、チップの頂部及び底部が共に金属でカバーされている。これが、“ダブルサイデッド”電気接点である。頂部金属層内に設けられた開口によって光ビームは通過することができる。この場合、ヒートシンクは導電性であることができ、利得要素は電気的に並列に接続されることになる。

光増幅器チップ２００は、ウェーハスケール処理と両立可能であり、これは、製造費が低いことを意味している。利得ブロックはウェーハレベルにおいて選別することができ、これも製造費にかなりなインパクトを有している。ダイの取付け及びアセンブリは、レーザダイオードの大量製造に典型的に使用されている自動化機器を使用して行うことができる。これは、このアプローチを、低価格生産応用のために大いに利用可能にする。

光増幅器チップ２００は、スーパールミネセントＬＥＤの基礎としても使用可能である。近年、ディスプレイ及び照明用ＬＥＤは、特にスペクトルの青及び緑領域においてより高いパワー及び効率を達成している。パワーをスケールアップさせる上で、熱及び利得の問題が主たる制限要因であった。更に、デバイスは、ランダムに偏波している出力ビームを有する大きいエテンデューのランベリ（Lambeliian）源であった。本発明が提唱するジグザグ光利得ブロック１は、より狭い放出及び偏光スペクトルと共に大きい利得をもたらすことができ、遙かに高い輝度（より小さい立体角内により高いパワー）を得ることと、充分に偏光されたスーパールミネセントＬＥＤ源とを可能にする。以下、このジグザグスーパールミネセントＬＥＤの概念を、ＺＳＬＥＤという。

ジグザグ光路２０５は、ジグザグ光路に沿う個々の利得要素１を全て結合する。設計パラメータは、レージングモードにおいて、個々の各利得要素の利得領域内に波腹（高い光強度）が存在するように選択される。従って、１つの再生利得要素１へ進入した光は増幅され、反射性表面４１に向かって（ＤＢＲレフレクタから）反射して戻されて別の再生利得要素１に向かって導かれる、等々を繰り返す。個々の利得要素全てが、光増幅器チップ２００の全長にわたってジグザグ光路２０５に沿ってジグザグに結合されるので、利得要素を追加することによって合計利得を調整することが可能になる。

図３は、個々の利得要素１が光学チップの表面に配置され、基板層がヒートシンクに取り付けられて上側接合ジオメトリで動作するように設計されている光学チップの一実施の形態を示している。更に、この構成は、スーパールミネセントＬＥＤにとって望ましい。図３から明らかなように、層の多くは図２の層と同一である。しかしながら、ジグザグ経路が僅かに長くなっている。図２と図３とを比較すると、上側接合構成は、反射性表面から２回の付加的な反射を必要とする。即ち、上側接合構成においては、ＡＲ窓３０から進入した光は、利得要素に到達する前に、先ず反射性表面４１において反射しなければならない。

本発明の一面は上側接合構成にあり、例えば、基板層２５の厚みｈ１及び入射角θ１を図２に関して説明したように選択することによって、離間距離Ｓ及び充填率ｄ／Ｓを変化させることができる。これにより、ヒートシンク２を通して熱を効率的に抽出するように利得要素間の間隔を決定することができる。この構成は、基板２５の材料がサファイア、ＧaＮ、またはＧaＡlＮ（これらは全て良好な熱伝導率を有している）であることができるＧaＮ材料系で効果的に実現することができる。上側接合構成では、ｎ及びｐ両接点はチップの頂部に位置している。この構成によれば、電極をウェーハレベルで検査することができ、放出がある角度で行われるので、ウェーハレベル試験が可能になる。またクリービング（cleaving）は必要ないが、サファイア基板上に成長させたＧaＮのような幾つかの材料系においてはクリービングは困難なものである。

図４は、レーザ空間モードの幾つかの面を示している。前述したように、各利得要素は利得を与えると共に、レフレクタとしても動作する。この設計は、光ビームが１つの利得要素において光利得を受け、反射性表面４１に向かって反射され、次いでビームが次の利得要素に向かって偏向させられる等々、ビームが光増幅器チップの全長にわたってそのジグザグ経路を完了するまで続けられる。本発明においては、ガウスのＴＥＭ００モードで動作するように、また利用可能な光利得が効率的に使用されるように光学的設計を選択することが好ましい。本発明においては、基板層２５の厚みｈ１、直径ｄ、及び離間距離Ｓは、光学チップ内を伝播し且つジグザグ経路に沿って各再生利得要素１へ導かれるガウスの横空間モードを主として伝播させ得るように選択される。前述したように、層２５及び２７のレージング波長における光損失は低い。空間モードは、主として、個々の再生利得要素の直径、及び利得／損失特性によって決定されるが、付加的な外部光要素２１０もガウスのＴＥＭ００モードで動作するように選択することが好ましい。

光学チップ内においては、個々の利得要素の活性利得領域１０における利得を効率的に利用し、底部ＤＢＲ３で反射させてジグザグ経路内へ戻すように、空間光モードが好ましく選択されている。この例では、光モードは、個々の利得要素１内の利用可能な利得を効率的に使用し、更に活性利得領域１０に波腹（高強度）を有する直径を有している。従って、例えば空間モードを、熱レンズ７と共に動作して利得領域の利得を与える部分内へ集束させるように（利得領域１０に腹を有するように）設計を選択することができる。

図４から明白なように、光路は、熱レンズ効果を入力及び出力経路全体にわたって平均化するように選択することができる。詳述すれば、この例においては、空間モードはそれが熱レンズ７を介して利得要素１に進入する際に収斂し、次いでそれが利得要素１を出て行く際に同じだけ発散する。

この設計の重要な長所は、大きいモード直径が支えられ、実質的なパワーがもたらされることである。レーザが支えるモードサイズは、メサ直径ｄに大きく依存する。ガウスビームは、ビームのスポットサイズＷによって特徴付けられ、これは伝播距離ｚに機能的に依存する。ガウスビームの特性は、1981年Prentice Hall版レーザエレクトロニクスの61頁にJ.T. Verdeyenが示しているように、十分に理解されている。本発明においては、≒２Ｗの直径を有するガウスビームは、寸法がビームサイズ（２Ｗ）とほぼ同一の電気的にポンプされる開口ｄを有する利得要素に進入し、レーザ空洞の残余をジグザグ状に伝播し続けることができる。もしｄが100μｍであれば、このレーザは、100μｍに近い直径を有する大きいガウスビームを支えることができる。ビームの品質は良好に保存されるので、続発レーザビームはほぼ回折制限され（ＴＥＭ００）、極めて高パワーであり、遙かに大きく且つ複雑なソリッドステートレーザの性能に比して極めて高輝度のレーザが得られる。

図５は、スーパールミネセントＬＥＤ構成において、上側接合光学チップに単一の鏡６４を付加した実施の形態を示している。スーパールミネセントＬＥＤ構成においては、例えば外部鏡の１つを排除すること等により、外部光フィードバックの量を減少させることによってレージングが抑圧される。

図６は、光空洞の正味光利得を制御できるようにするために、少なくとも１つの利得要素が他の利得要素から電気的に絶縁されている下側接合実施の形態を示している。図７は、類似の上側接合構成を示している。光ビームは、非垂直入射角で個々の利得要素に入り／出る。外部レーザ空洞を形成させるために、レフレクタ６２及び７２が、ビーム形成光学系６１及び７１と共に設けられている。レーザビーム８０は、空洞の一方の端から抽出される。前述したように、ＺＥＣＳＥＬジオメトリにおいては、個々の利得要素は離間距離Ｓだけ互いに離間している。個々の利得要素は、電気的に分離された要素（並列に、または異なるバイアスでの何れかで駆動可能）であるように設計することもできる。図６−７は、利得要素のｐ−ｎ接合に印加される逆バイアスを変化させることによって被変調光損失を制御するように、ＺＥＣＳＥＬが、逆バイアスモードで動作させる少なくとも１つの再生利得要素を含む実施の形態を示している。順バイアスされた領域９０は、光利得を発生させるために順バイアスされたｐ−ｎ接合を有する少なくとも１つの再生利得要素を含む。領域９１は分離した電気接点を有し、領域９０から電気的に絶縁されているので、電極５及び６に逆電圧を印加することによって領域９１を独立的に逆バイアスすることができる。光学チップ内の光損失は、領域９１における逆バイアスを変化させることによって迅速に変調することができる。これにより、利得のオン・オフをピコ秒以下の時間フレームで切り替える（即ち、利得スイッチングまたはモードロッキング）ことが可能になる。このような動作条件の下で、高ピークパワーが発生する。

外部空洞を形成するために使用可能な光学要素と等価な機能を遂行する光学要素は、多くの変形が可能である。例えば、レフレクタ６２及び光学系６１は、湾曲した反射性表面によって置換することができる。代替実施の形態においては、透明基板材料２５に傾斜表面をエッチングし、高度に反射性（ＨＲ）にコーティングして空洞の一方の端を形成することができる。更に、光フィードバックを供給するために、及び／または、縦モード弁別を与えるために、１つまたはそれ以上の外部格子要素を使用することができる。

図８は、空洞内で周波数を２倍にするＺＥＣＳＥＬを示している。この例の光学チップは図６の実施の形態に類似しており、利得スイッチングまたはモードロッキングを支えている。しかしながら、外部光学要素は、空洞内で周波数を２倍にするように配列されている。高速変調を発生させる能力は、基本パワーにおいて高ピークパワーを達成する重要な長所を提供し、それが周波数を２倍にされた光の出力を改善する。周波数を２倍にするプロセスの効率は、ポンプ光の強度に大きく依存する。詳述すれば、周波数を２倍にするプロセスの効率はポンプ光の強度に大きく依存し、一般的にはポンプ光の強度の２乗に比例する。これは、これらのレーザを使用して第２高調波光を放出させる場合に特に有用である。何故ならば、ファセットを破損することなく高ピーク強度を発生させることができ、また青・緑の非線形変換プロセスが赤外（ＩＲ）強度の２乗に従って進行するからである。この空洞内アプローチによれば、より長い波長強度を高めることが可能になり、従って、（非線形変換は強度の２乗に比例するので）２倍周波数のより高いパワーを普通に発生させることができる。非線形光学（ＮＬＯ）材料９５が、周波数を２倍にする。ＮＬＯは、ＰＰＬＮ、ＫＴＰ、ＰＰＬＴのような普通の非線形光学材料であることができる。ＰＰＬＴは、より短い波長（ＵＶ）応用に適している。鏡９３が、空洞を閉じている。鏡９３は、より長い波長の全ての放出を反射させて利得チップ内へ戻し、周波数が２倍にされたビームを外部へ結合する。また、利得チップ放出波長を狭めて周波数を効率的に２倍にするノッチフィルタ９４も設けられている。代替として、フィルタの代わりにエタロンを使用することも、またはレーザ鏡の１つと置換するためにボリュームブラッグ格子（ＶＢＧ）を使用することもできる。二色性ビームスプリッタ／偏光子９６はＶＥＣＳＥＬ内での周波数を２倍にするための適切な偏光を保証するが、この偏光機能はＺＥＣＳＥＬにおいては多分必要ないであろう。順方向ビーム９７及び逆方向ビーム９８の両ビームの周波数が２倍にされたビームが、空洞から抽出される。逆方向ビーム９８は鏡９２において反射される。単一のクロス偏光されたビームは、可視ビーム経路内にλ／４板を付加し、第２の（逆方向）ビームレフレクタ９２を排除することによって達成することができる。

図９は、空洞外で周波数を２倍にするＺＥＣＳＥＬを示している。多くの光学要素は、上述した要素に類似している。しかしながら、図９の例では、ＮＬＯはレーザ空洞の外側に配置されている。レーザ自体は、スタンドアロン型の単一周波数レーザである。単一周波数は、空洞内に格子要素（６３）を使用することによって達成することができる。代替として、空洞内エタロンを使用することも、または単一周波数外部マスター発振器（ＭＯ）を使用してＭＯＰＡ構成でレーザを動作させることもできる。この好ましい実施の形態においては、高ピークパワーを得るために、レーザを利得スイッチドまたはモードロックド動作で動作させる。

この新しいＺＥＣＳＥＬレーザは、半導体レーザのために完全に新しい設計空間を提供するので、広範囲の放出波長において高パワー、高輝度、及び回折が制限されたビームを可能にする。詳述すれば、このＺＥＣＳＥＬは、半導体レーザ及びＬＥＤの製造に使用される広範な材料系で製造することができる。このＺＥＣＳＥＬは、量子ウェル（ＱＷ）または量子ドット活性領域材料及び隣接する透明領域を調整することによって、広い波長範囲にわたって（紫外から遠赤外まで）使用することができる。これはＧaＮをベースとする材料を含み、これらの材料はＧaＩnＡlＮ／ＧaＡlＮ（放出波長は0.3−0.5μｍ）、ＺnＳＳe／ＺnＭgＳＳe（放出波長は0.45−0.55μｍ）、ＧaＡlＩnＰ／ＧaＡs（放出波長は0.63−0.67μｍ）、ＧaＡlＡs／ＧaＡs（放出波長は0.78−0.88μｍ）、ＧaＩnＡs／ＧaＡs（放出波長は0.98−1.2μｍ）、ＧaＩnＮＡs／ＧaＡs（放出波長は1.2−1.3μｍ）、ＧaＩnＡsＰ／ＩnＰ及びＡlＧaＩnＡｓ／ＩnＰ（放出波長は1.3−1.6μｍ）を含む。また、波長範囲は、同一のジオメトリを使用しても、他の材料系（例えば、Ｐb塩材料）を使用することによって、２−10μｍ範囲内に広げることができる。ＧaＩnＡlＮ／ＧaＡlＮ材料系においては、これはスペクトルのＵＶ、青、及び緑領域内の放出を導くことを可能にする。

本発明の１つの長所は、それをＧaＮ材料系で表面放出レーザを達成するのに使用できることである。ＧaＮ材料系は、可視及びＵＶ波長レーザを達成する上で興味をそそられる材料系である。普通これらの材料は、高パワー表面放出レーザを達成するには不十分な光利得しか得られない。しかしながら、本発明においては、ＺＥＣＳＥＬがＧaＮ材料系内で所望の波長におけるレージングを支えるようになるまで、個々の再生利得要素の数を増加させることができる。

以下の表１は、ＧaＮをベースとするＺＥＣＳＥＬに特定の設計検討例を示している。

表 １ ＧaＮをベースとする短波長ＺＥＣＳＥＬのための設計例

本発明のＺＥＣＳＥＬの実施の形態は、従来技術に優る多くの長所を提供する。第１に、再生利得要素の数を選択することによって総合光利得を増加させることができる。これにより例えば、ＧaＮをベースとする材料のような低利得半導体材料を使用することが可能になるが、これは単一の利得要素を有する従来のＶＥＣＳＥＬレーザ構造では実現されなかったことである。即ち、本発明は、従来のＶＥＣＳＥＬ構造より広範囲の半導体材料の使用を（従って、広範囲の波長の放出を）可能にする。第２に、本発明の実施の形態は、ＶＥＣＳＥＬ型のレーザでは実用的に実現するのは困難とされてきた利得スイッチング及びモードロッキングを支える。詳述すれば、ＺＥＣＳＥＬ構造は１つまたはそれ以上の再生利得要素を含むことができ、この、またはこれらの再生利得要素は逆バイアスモードで動作して空洞内の光損失を制御し、より高いピークパワーのために利得スイッチングまたはモードロッキングを支えることができる。

前述したように、本発明の実施の形態は、従来のＶＥＣＳＥＬで可能であるよりも広い範囲の波長にわたる表面放出レーザ構造を支える。更に、高パワー動作を改善し且つ高ピークパワーのための利得スイッチングまたはモードロッキングをも支えるために利得要素の数を増加させ得る能力によって、ＺＥＣＳＥＬは並外れた広範囲の波長にわたって効率的に周波数を２倍にすることができる。

このＺＥＣＳＥＬ構成は、高度にスケール可能でもある。潜在的な光パワーを増加させるために、ジグザグ経路に沿う利得要素の数を２以上に増加させることができる。図１０に示すように、光学チップ上に複数のＺＥＣＳＥＬをレーザの一次元アレイに配列することができ、また極めて大きいパワーまでスケールアップすることができる。

図１０は、ＺＥＣＳＥＬの輝度を、エッジ放出レーザ、ＶＥＣＳＥＬ、及び垂直空洞表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）のような他の型の半導体レーザの輝度と比較した図である。図１０は、潜在的な輝度だけを比較したものである。しかしながら、他の性能指数においても、ＺＥＣＳＥＬは潜在的に優れている。

普通のエッジ放出半導体レーザ（ＥＥＳＬ）は低いパワーにおいては高輝度を有しているが、非点収差楕円ビームをも有しているので、高強度においてはファセットが破損する恐れがある。ＥＥＳＬは、レーザファセットへの高強度の光の入射によってファセットが壊滅的に破損する傾向がある。そのために高ピークパワー動作が制限され、連続波（ＣＷ）動作の下でのデバイスの信頼性が損なわれる。ＥＥＳＬの別の欠点は、ビーム品質である。高パワーＥＥＳＬは、典型的に、多数の横方向モードを支える広面積放出開口を使用する。即ち、マルチモード出力ビームは大きいビームパラメータＭ２を使用するが、これは回折制限されたビームの場合に１である理想的Ｍ２より少なくとも１桁は大きい。光学的閉じ込め導波器は典型的に矩形であり、ファセット軸内に広い放射角を有する高度に非対称な楕円出力ビームをもたらす。典型的なＥＥＳＬビームは、その上非点収差であることが多い。主としてこれらの理由から、エッジ放出レーザはピークパワー及び輝度が制限されており、また回折制限されたビーム内に数桁高いパワーを発生することができるダイオードポンプされたソリッドステートレーザと競争することはできなかった。

従来技術では、２つの主たる型の表面放出レーザ、即ち表面放出レーザ及び垂直空洞表面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）及びＶＥＣＳＥＬが存在していた。ＶＣＳＥＬ及びＶＥＣＳＥＬは共に単一の利得領域を有し、内部ＤＢＲレフレクタの表面に垂直に光を放出する。これらの型のレーザの設計制約は、電気的なキャリヤの閉じ込め、熱管理、利得、及び空洞損失からもたらされるものである。通常これらのデバイスは、極めて高い鏡反射率を発生させるために十分な数の高／低率λ／４波長対を使用することによって実現される分布ブラッグレフレクタ（ＤＢＲ）を使用している。一般的に、半導体ＤＢＲ鏡は、誘電体鏡よりも低いコントラスト（２つの屈折率の間の差）を有し、従って多数の対が必要になる（即ち、エピタキシャル成長中に極めて正確な制御が必要であり、かなりの反応器時間を消費することになる）。特にスペクトルの赤（≒630ｎｍ）、青、及びＵＶ領域におけるＤＢＲ半導体層、及び残余の構造と両立し得る層組成の選択が極めて制限される。

ＶＣＳＥＬは、ＶＣＳＥＬ内のフィードバックだけに頼っている。その結果、ＶＣＳＥＬは典型的に小さい開口及び低パワーを有することになる。

ＶＥＣＳＥＬは、単一の表面放出利得要素、及び付加的なフィードバックを供給する外部鏡を有している。外部鏡（上側要素によって示されている）は、より大きいビーム直径を促進するために空間モードに対する付加的な制御も行う。しかしながら、ＶＥＣＳＥＬの合計利得は制限される。例えば、ＶＥＣＳＥＬデバイスは、１乃至２％程度のラウンドトリップ利得を有している。ちなみに、エッジ放出半導体レーザは、ＶＥＣＳＥＬより100乃至500倍のラウンドトリップ利得を有することができる。ＶＥＣＳＥＬの合計利得が低いことから、使用することができる材料の選択が（従って、放出波長が）制限され、また支える波長範囲においてさえ高パワー出力を達成する上での種々の障壁を与える。実際のＶＥＣＳＥＬデバイスは、ＧaＩnＡs／ＧaＡs材料系で製造されて≒0.98乃至≒1.2μｍの範囲で動作するものだけが成功している。

ＶＥＣＳＥＬのような普通の表面放出レーザにおける制限は、レーザ利得領域の極めて短い長さ（即ち、空洞内の小さいラウンドトリップ利得）であった。空洞損失を解消するために、これらは高反射率共振器鏡が必要である。これらのレーザは円形ビームを有し、エッジ放出レーザよりも遙かに良好なビーム品質を有している。しかしながら、利用可能なラウンドトリップ利得が制限されているために、最大出力パワーに制限が与えられる。ＶＥＣＳＥＬは、大きい開口（典型的には、≒100μｍまたはそれ以上）を使用し、回折制限されたビームに近いビームを発生するが、出力パワーは利用可能なラウンドトリップ利得によって制限される。

ＺＥＣＳＥＬは、ＶＥＣＳＥＬより高い光利得を可能にしながら、高品質な回折制限されたビームのようなＶＥＣＳＥＬの望ましい特性の多くのものをも保持している。更に、ＺＥＣＳＥＬは、偏光制御及び熱レンズ効果の低減乃至は排除のような、ＶＥＣＳＥＬに優る長所をも提供する。ＺＥＣＳＥＬは光学チップ内にジグザグ経路を有しており、それにより、輝度がＥＥＳＬ及びＶＥＣＳＥＬの両者よりも潜在的に高くなるように複数の利得要素の利得を組合せることを可能にする。しかしながら、それでもＺＥＣＳＥＬは、比較的大きいビーム直径と、主たるＴＥＭ００ガウスモードと、回折制限されたビームに近いビームとを有する表面放出レーザ構造なのである。更に、ＺＥＣＳＥＬは、もし望むならば、アレイとして設計し、出力パワーを更に増加させることができる。更に、ＺＥＣＳＥＬは、利得スイッチされ又はモードロックされることが可能である。その結果として、ＺＥＣＳＥＬは、既知の型の半導体レーザよりも大きい潜在的輝度を有するようになる。ＺＥＣＳＥＬは、エッジ放出レーザに匹敵するラウンドトリップ利得を達成するようにスケールすることができるにも拘わらず、１（回折制限されたビーム）に密接するＭ２を有する円形ビームを発生することができる。従って、ＩＲにおいてレーザ当たり20Ｗを越えるパワー、及び可視におけるレーザ当たり＞10Ｗのパワーが可能であることが期待される。同一の構造で高ピークパルス強度を実現するために、利得スイッチング及びモードロックド動作も可能である。更に、これらのレーザは、更に大きいパワーのためにＥＤアレイでスケールすることができる。

以上のように、ＺＥＣＳＥＬレーザは、多くの新しい可視及びＵＶレーザ波長における高いパワー及び輝度を実現するための広い設計空間を提供する。これは、レーザ放出を導くことによって、及びＫＴＰ、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＰＰＬＮ、ＰＰＬＴ、ＰＰＫＴＰ等のような従来の非線形光学（ＮＬＯ）材料を使用して周波数を２倍にすることによっての両者によって達成することができる。レーザが高強度であり、そのビーム品質が優れているので、このような非線形周波数２倍化を空洞内構成及び空洞外構成の両者によって効率的に行うことができる。これは、単一の回折制限されたビームから10Ｗを越える平均パワーを発生させる可能性を有する高輝度レーザをもたらす。

ＶＥＣＳＥＬレーザに優る１つの重要な改良は、ＺＬＡＳＥＲレーザが遙かに高いラウンドトリップ利得を有し、遙かに高いＩＲ強度を発生できることである。従って、周波数２倍化応用において、遙かに短く、小さいＮＬＯ結晶を使用することができる。これは、レーザを安価にするだけではなく、可視帯域をも開くので、ＮＬＯ結晶のアラインメント及び熱制御が容易になり、空洞のスペクトル幅要求を引き下げる。

他の半導体レーザとは異なり、ＺＥＣＳＥＬは、スペクトルのＵＶ及び青領域において動作でき、深いＵＶ領域内へ周波数を２倍化することができる最初の半導体レーザである。短いパルス動作及び高ピークパワーは、このジオメトリを実現するのに役立つ。この材料系での放出波長は、スペクトルのＵＶ領域から緑領域まで伸ばされている。スペクトルの赤及び近ＩＲ領域内の他の波長は、ＧaＡs及びＧaＰをベースとする材料系を使用して達成することができる。

ＺＥＣＳＥＬは、生産性も高い。光増幅器チップ２００は、ウェーハレベルプロセスを使用して製造することができる。光増幅器チップ２００は、付加的な構成要素の数を最小にするように、及びパッケージされたＺＥＣＳＥＬを形成するのに使用されるクリティカルアラインメントステップを最小にするようにして実現することができる。更に、種々の実施の形態はウェーハレベル試験と両立可能である。

ＺＥＣＳＥＬの１つの潜在的な応用は、ダイオードポンプ型ソリッドステートレーザ（ＤＰＳＳ）のような他の型のソリッドステートレーザと置換することである。目標とする市場は、ディスプレイ、照明、医療、材料処理、及びグラフィックアートを含む。これらの市場における高輝度応用は、ダイオードポンプ式ソリッドステート（ＤＰＳＳ）レーザが主流であった。しかしながら、サイズ、コスト、複数波長の選択、及び変調に対する要求から、ＤＰＳＳソリューションよりも優れた直接半導体、または波長が２倍にされた半導体レーザが好まれる。本発明のＺＥＣＳＥＬの実施の形態は、これらの市場のキー要求に対処する。それらはコンパクトであり、効率的であり、そして低コストである。更に、それらは、回折制限されたビームに近いビームで数ワットの波長選択可能な放出を発生することができ、またそれらは、高ピークパワー応用のために、直接変調し、利得スイッチさせ、そしてモードロックさせることができる。

特定の術語を使用してなされた以上の説明は、本発明の完全な理解のために単なる例を示したに過ぎない。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明を実現するためには特定の細部は必要がない。従って、以上の本発明の特定実施の形態の説明は、単なる例示の目的のためになされたに過ぎない。これらは、本発明を余すところなく説明するものでも、または本発明を説明した精密な形状に限定するものでもない。明らかに、以上の説明に鑑みて、多くの変更及び変形が可能である。実施の形態は、本発明の原理及びその実用的応用を最良に説明するために選択し、説明したものであって、意図する特定の用途に対しては多くの変更を施した多くの実施の形態が適するであろう。特許請求の範囲の独立項及び従属項が、本発明の範囲を限定することを意図している。

Claims (21)

1. 半導体ジグザグ外部空洞表面放出光学装置であって、
   一連の材料の層を有するチップを含み、
   上記チップは、上記チップの平面層境界に近接して配置されている少なくとも２つの再生半導体利得要素を含み、個々の各再生半導体利得要素は、上記装置の光モードに利得を与える電気的にポンプされる１つの利得領域、及び少なくとも１つの分布ブラッグレフレクタを含み、上記各再生利得要素は直径ｄと、隣接する各再生利得要素間の離間距離Ｓとを有し、上記ｄ及びＳは、ｄをＳで除すことによって定義される充填率が１より小さくなるように選択され、
   上記チップは、少なくとも１つの層を含む基板層領域を含み、上記基板層領域は、上記光モードの波長においては実質的に透明であるが、少なくとも２つの再生利得要素が関連する上記平面層境界に平行で、上記境界から離間している反射性表面を含み、
   上記チップの少なくとも１つの光入口／出口表面領域は、光を上記チップ内へ結合し、上記基板領域の反射性表面と上記各再生利得要素の分布ブラッグレフレクタとの間における一連の反射を介してジグザグ経路を進行させ、上記ジグザグ経路は更に、上記各再生利得要素の利得領域に１つの波腹を有し、
   少なくとも１つの外部光学要素は、外部空洞を形成して上記チップ内への光学フィードバックを与え、且つ上記光モードの横方向光モード特性を制御して基本ガウス空間モードを有する出力ビームを形成させる、
   ことを特徴とする光学装置。
2. 上記充填率ｄ／Ｓは、0.5より小さいことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 上記各再生増幅器の直径ｄは、5乃至200ミクロンの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
4. 上記各再生増幅器は、電流を閉じ込め且つ空間モード弁別を与える丸いメサを備えていることを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
5. 上記基板領域の反射性表面は、金属コーティング、誘電体コーティング、高反射率コーティング、内部全反射を生成させるための屈折率段、及び分布ブラッグレフレクタからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
6. 上記少なくとも１つの分布ブラッグレフレクタは、上記基板領域に近接する上記利得領域の一方の側上に配置されている第１の分布ブラッグレフレクタと、上記利得領域の他方の側上に配置されている第２の分布ブラッグレフレクタとを含み、上記第２の分布ブラッグレフレクタは上記第１の分布ブラッグレフレクタより大きい反射率を有していることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
7. 上記光ビームは、上記反射性表面において内部全反射を受けることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
8. ｓ偏光及びｐ偏光は上記反射性表面から異なる角度で反射され、上記離間距離Ｓ及び高さＨは線形偏光を有する光モードで動作するように選択されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
9. 上記各再生利得要素は、上記利得領域の反射率の熱依存性に起因して熱レンズを形成し、上記ジグザグ経路は、レージングモードにおける各熱レンズの効果を少なくとも部分的に打ち消すように選択されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
10. 上記基板領域は、上記放出波長において実質的に透明な半導体領域を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
11. 上記基板領域は、半導体、サファイア、ガラス、スピンオンガラス、または光学的に透明なポリマー材料からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
12. 上記各再生利得要素は、それが関連する少なくとも１つの分布ブラッグレフレクタからのフィードバックが、付加的なフィードバックなしでそれ自体をレーズするには充分ではないことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
13. 空洞内周波数ダブラーを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
14. 半導体ジグザグ外部空洞表面放出レーザであって、
    一連の材料の層を有するチップを含み、
    上記チップは、上記チップの平面層境界に近接して配置されている少なくとも２つの再生半導体利得要素を含み、個々の各再生半導体利得要素は、電気的にポンプされる利得領域を含むｐ−ｎ接合、及び少なくとも１つの分布ブラッグレフレクタを有し、上記各再生利得要素は、直径ｄと、隣接する各再生利得要素間の離間距離Ｓとを有し、上記ｄ及びＳは、ｄをＳで除すことによって定義される充填率が１より小さくなるように選択され、
    上記チップは、少なくとも１つの層を含む基板層領域を含み、上記基板層領域は、上記光モードの波長においては実質的に透明であるが、少なくとも２つの再生利得要素が関連する上記平面層境界に平行で、上記境界から離間している反射性表面を含み、
    上記チップの少なくとも１つの光入口／出口表面は、光を上記チップ内へ結合し、上記基板領域の反射性表面と上記各再生利得要素の分布ブラッグレフレクタとの間における一連の反射を介してジグザグ経路を進行させ、上記ジグザグ経路は更に、上記各再生利得要素の利得領域に１つの波腹を有し、
    少なくとも１つの外部光学要素は、外部空洞を形成して上記チップ内への光学フィードバックを与え、且つ上記光モードの横方向光モード特性を制御して主なガウス空間モードを有する出力ビームを形成させ、
    上記再生利得要素の少なくとも１つは、順バイアスされたｐ−ｎ接合として動作して光利得を与え、上記再生利得要素の少なくとも１つは、逆バイアスされたｐ−ｎ接合として動作して上記レーザの損失を変調する、
    ことを特徴とするレーザ。
15. 上記再生利得要素の少なくとも１つは、逆バイアスされたｐ−ｎ接合として動作して上記レーザの利得スイッチングまたはモードロッキングの一方を遂行することを特徴とする請求項１４に記載のレーザ。
16. 空洞内周波数ダブラーを更に備えていることを特徴とする請求項１４に記載のレーザ。
17. 半導体ジグザグ外部空洞表面放出レーザであって、
    一連の材料の層を有するチップを含み、
    上記チップは、上記チップの平面層境界に近接して配置されている少なくとも２つの電気的にポンプされる再生半導体利得要素を含み、個々の各再生半導体利得要素は電流を閉じ込め且つ空間モードを制御するｐ−ｎ接合メサ、１つの利得領域、及び少なくとも１つの分布ブラッグレフレクタを有し、上記各再生利得要素は、直径ｄと、隣接する各再生利得要素間の離間距離Ｓとを有し、上記ｄ及びＳは、ｄをＳで除すことによって定義される充填率が0.5より小さく且つ上記ｄが少なくとも５ミクロンであるように選択され、
    上記チップは、少なくとも１つの層を含む基板層領域を含み、上記基板層領域は、上記光モードの波長においては実質的に透明であるが上記少なくとも２つの再生利得要素が関連する上記平面層境界に平行で、上記境界から離間している反射性表面を含み、
    上記チップの少なくとも１つの光入口／出口表面は光を上記チップ内へ結合し、上記基板領域の反射性表面と上記各再生利得要素の分布ブラッグレフレクタとの間における一連の反射を介してジグザグ経路を進行させ、上記ジグザグ経路は更に、上記各再生利得要素の利得領域に１つの波腹を有し、
    少なくとも１つの外部光学要素は、外部空洞を形成して上記チップ内への光学フィードバックを与え、且つ上記光モードの横方向光モード特性を制御して基本ガウス空間モードを有する出力ビームを形成させ、
    上記反射性表面上の一連の反射は、偏光弁別を与えて線形偏光を生成させ、
    上記再生利得要素を通過するジグザグ経路は、個々の再生利得要素内の熱レンズ効果を実質的に打ち消し、
    上記個々の各再生利得要素は、上記再生利得要素の累積利得から動作するレージングモードで個々のレーザとして動作させるには利得及びフィードバックが不十分である、
    ことを特徴とするレーザ。
18. 空洞内周波数ダブラーを更に備えていることを特徴とする請求項１７に記載のレーザ。
19. 短波長半導体ジグザグ外部空洞表面放出レーザであって、
    一連の材料の層を有するチップを含み、
    上記チップは、平面層境界に近接して配置されている少なくとも２つの電気的にポンプされる再生半導体利得要素を含み、個々の各再生半導体利得要素は、電流を閉じ込め且つ空間モードを制御するｐ−ｎ接合メサ、ＧaＮをベースとする材料から形成されて0.3−0.5μｍの放出波長の範囲内の予め選択された波長において利得を与える活性利得領域、及び少なくとも１つの分布ブラッグレフレクタを有し、上記各再生利得要素は、メサ直径ｄと、隣接する各再生利得要素間の離間距離Ｓとを有し、上記ｄ及びＳは、ｄをＳで除すことによって定義される充填率が0.5より小さく且つ上記ｄが少なくとも５ミクロンであるように選択され、
    上記チップは、サファイアまたはＧaＮをベースとする化合物からなるグループから選択された少なくとも１つの層を有する基板層領域を含み、上記基板層領域は、上記光モードの波長においては実質的に透明であり、上記少なくとも２つの再生利得要素の上記平面境界に平行で且つ上記境界から離間している反射性表面を含み、
    上記チップの少なくとも１つの光入口／出口表面は、光を上記チップ内へ結合し、上記基板領域の反射性表面と上記各再生利得要素の分布ブラッグレフレクタとの間における一連の反射を介してジグザグ経路を進行させ、上記ジグザグ経路は更に、上記各再生利得要素の利得領域に１つの波腹を有し、
    少なくとも１つの外部光学要素は、外部空洞を形成して上記チップ内への光学フィードバックを与え、且つ上記光モードの横方向光モード特性を制御して基本ガウス空間モードを有する出力ビームを形成させ、
    上記反射性表面上の一連の反射は、偏光弁別を与えて線形偏光を生成させ、
    上記再生利得要素を通過するジグザグ経路は、個々の再生利得要素内の熱レンズ効果を実質的に打ち消し、
    上記個々の各再生利得要素は、上記再生利得要素の累積利得から動作するレージングモードで個々のレーザとして動作させるには利得及びフィードバックが不十分である、
    ことを特徴とするレーザ。
20. 上記再生利得要素の少なくとも１つは、順バイアスされたｐ−ｎ接合として動作して光利得を与え、上記再生利得要素の少なくとも１つは、逆バイアスされたｐ−ｎ接合として動作して利得スイッチドまたはモードロックドレーザとして上記レーザの損失を変調する、ことを特徴とする請求項１９に記載のレーザ。
21. 更に、周波数ダブラーと組合された請求項２０に記載のレーザ。

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