JP3121761B2 - 改善されたポンピング効率を有する面発光型レーザ - Google Patents
改善されたポンピング効率を有する面発光型レーザInfo
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Description
関し、特に、改善されたポンピング効率を有する面発光
型レーザに関する。
と垂直な方向に放射する。このようなレーザは、端面発
光型レーザに比べて多くの利点を有する。この利点は、
例えば、素子サイズが極めて小さく、ひとつの基板上に
2次元的に多数のこのようなレーザを比較的容易に作成
できることである。
の分布帰還型(DFB)ミラーによって決定される共鳴
キャビティを有する。そのキャビティは、スペーサ層と
発光活性層から成るゲイン媒体を含む。その活性層の光
ポンピングは、ミラーのひとつを通して伝達されたポン
プエネルギーによって成し遂げられる。面発光型レーザ
に関する多くの情報は、次に挙げる文献に示されてい
る:米国特許第5258990号、4999842号、
4718070号。
片方のDFBミラーを通してレーザのキャビティに伝達
されるので、ポンプエネルギーの波長におけるミラーの
反射率は通常は低減されている。この反射率の低減は、
キャビティへのポンプエネルギーの伝達を助長する一
方、ポンプエネルギーが片方のDFBミラーを通して放
出される前にキャビティ内で共鳴できる時間を制限する
こととなる。その結果として、ポンプエネルギーは、キ
ャビティから放出される前に、反転分布を誘導するため
の機会が制限されることとなり、レーザの効率が制限さ
れることとなる。
型レーザは、基板と、基板上に形成された第1の分布帰
還型ミラーと、第1のミラー上に形成されたアクティブ
ゲイン媒体を有する。そのアクティブゲイン媒体は、少
なくとも1つの活性発光層と、1つのバリア層を有す
る。第2の分布帰還型ミラーは、アクティブゲイン媒体
上に形成される。前記第1および第2のミラーは、設計
動作波長において定在波の光学場を持続させるための、
共鳴キャビティを決定する。
射波長帯を有し、また、それぞれ光ポンプエネルギーを
受け取るための第1と第2の透過波長帯(領域)を有す
る。第1と第2の反射波長帯(領域)は、前記第1と第
2の透過波長帯が異なる波長帯に位置するように、互い
に波長がずれている。 第1と第2の透過波長帯を互い
にずらすことにより、一方のミラーを通り抜けてキャビ
ティ内に伝搬した光ポンプエネルギーは、他方のミラー
においてそれを通り抜けずに高い反射率で反射されるこ
ととなる。その結果として、ポンピングエネルギーはよ
り長い時間キャビティ内に滞在し、反転分布を誘導する
ために使われるポンピングエネルギーの割合が増加する
こととなる。従来の面発光型レーザと比べると、本発明
によるレーザはエネルギー伝達損失がより低く高速で、
また、冷却することなく室温で動作することができる。
2を示す。レンズ10は、入射光に対して透明な基板1
2と分布帰還型(DFB)ミラー13を通して、入射光
を導く。基板が入射光に対して透明でない場合は、ポン
ピングは基板を通り抜けてではなく、レーザ2の上面を
通り抜けて行われる。DFBミラー13は、高屈折率と
低屈折率の材料が交互に積層して形成される。入射光
は、次に、活性層とバリア層が交互に積層して形成され
るゲイン媒体16に導かれる。そして、ミラー13と同
様に高屈折率と低屈折率の材料が交互に積層して形成さ
れたDFBミラー19を設けることにより、レーザは完
成する。ここに示した構造により、レーザ放射光線は図
中に矢印で示したように垂直上方に向けて、出射する。
示したものであり、ここにそれぞれのレーザは図1に示
したレーザと構造が同様である。ここで、レーザ2は、
すべて同一の基板上に形成されている。このようなアレ
イは、集積回路の光インターコネクトや固体レーザの光
ポンピング用光源として有用である。
部ミラー13は共鳴キャビティを形成し、この共鳴キャ
ビティが設計動作波長における光定在波分布を生ぜしめ
る。従って、ゲイン媒体16のトータル厚さは、設計波
長の半分の整数倍になるように選ばれる。活性層とバリ
ア層の厚さは、活性層が定在波のはら(antinod
es)、即ち、強度の極大箇所に一致するように、好都
合に、選ばれる。この構造により、活性層が光波を可能
な限り効率的に増幅することが確実にされる。
物は、当業者に周知である。本発明は、レーザ発振する
特定の構成物の名称には依存しない。一般的には、選択
された材料は、動作に適することが知られている特性を
有するはずである。活性材料は、所定の発振波長に適合
する直接エネルギーバンドギャップを有するはずであ
り、さもなければレーザ発振に適しているはずである。
バリア材料は、直接または間接バンドギャップ材料であ
り、活性層より大きいバンドギャップを有していてキャ
リアを活性材料内に閉じこめる役割をする。
料は、III−V族、II−VI族や3元、4元その他
の複合組成のうちの選ばれた材料のような化合物半導体
を含む。活性材料とバリア材料ペアーの実例としては、
GaAs/AlGaAsやIn0.53Ga0.47As/In
PやIn0.2Ga0.8As/GaAsなどが含まれ、それ
ぞれ、発振波長は、0.87ミクロン、1.55ミクロ
ン、1ミクロンである。本発明によるレーザ2の作成の
詳細は、当業者に周知である。レーザ素子は、例えばM
BEやMOCVDのようなあらゆる適切な技術により作
成することが可能である。また、レーザ素子は、米国特
許第4、395、769号に開示されているようにくさ
び型レーザキャビティを有するものとして作成すること
もできる。
基本的に要求されることは、高屈折率と低屈折率材料の
積層構造が、共鳴を許容するに十分な厚さを有すること
である。図3は、上部ミラー19の反射率曲線を示した
ものであり、ミラーの反射率を波長の関数として示した
ものである。ミラー19は、設計動作波長において最大
の反射率を有するように、従来の方法と同様にして設計
することができ、図3に示した例では、設計動作波長は
約870nmである。この最大反射率は、設計波長を包
含する規定の波長範囲にわたって概ね維持される。この
規定の高反射率波長領域は、図中のノッチ30で区切ら
れて比較的狭いバンドパスを形成し、その領域の外では
反射率は実質的に低下する。即ち、ノッチ30は、その
波長領域を超えるとミラー19が光エネルギーのかなり
の量を透過するような波長を決定する。
ゲイン媒体16での反転分布を誘導するために用いら
れ、通常は、ノッチ30に対応する波長で供給される。
この波長でポンプエネルギーを供給することにより、そ
のエネルギーのうちのかなりの割合がゲイン媒体16に
到達する。かわりに、もし、ポンプエネルギーが設計動
作波長により等しい波長を有するように選択されたとき
は、そのエネルギーのうちのほとんどは上部ミラー19
で反射され、反転分布は生じない。
うな実質的に同一の反射率曲線を有する上部ミラーと下
部ミラーを用いている。即ち、いずれのミラーも通常は
同一の高反射率波長帯を有し、いずれのミラーも高透過
率領域を決定するノッチを同一の波長に有する。このよ
うな従来の構造では、ゲイン媒体16によって吸収され
ないポンプエネルギーのうちのかなりの部分が、下部ミ
ラーのノッチを通して透過してしまい、付加的な反転分
布を誘導するために利用されないので、レーザの効率が
制限される。
下部ミラー19は、それぞれ互いに反射率曲線が波長に
おいてずれているように設計されている。即ち、上部ミ
ラーのノッチが下部ミラーのノッチとは異なる波長領域
にあるように、それぞれの反射率曲線がずらされてい
る。このような関係は、図3(a)に示す上部ミラーの
反射率曲線が、図3(b)に示す下部ミラーの反射率曲
線から相対的にずれていることによって示されている。
特に、それぞれの曲線は、下部ミラーが相対的に高い反
射率を示す波長領域に上部ミラーのノッチが位置するよ
うに、ずらされている。
のノッチを通して透過したポンプエネルギーのかなりの
部分が下部ミラーで反射されてゲイン媒体16に戻るこ
ととなる。反射されたポンプエネルギーは、再度ゲイン
媒体16を横切ることとなり、反転分布を誘導する機会
が増加する。例えば、もしポンプエネルギーのうちの5
0%がゲイン媒体を一回通過しただけで吸収されるとす
ると、下部ミラーの反射率を増加させることにより、ポ
ンプエネルギーの75%がゲイン媒体を再度横切ること
により吸収されることとなる。これとは対照的に、従来
の面発光型レーザでは、ポンプエネルギーの大半はゲイ
ン媒体16に吸収される機会を単に1回しか有しない。
適なずれ量は、それぞれ特定の素子用途毎に、個別に設
計することができる。しかし、特定の用途とは無関係
に、いくつかの一般的な配慮をすることが適切である。
例えば、上部ミラーと下部ミラーの高反射率波長帯が実
質的なオーバーラップを有するように、相対的なずれ量
は十分に小さくなければならない。この条件は、設計波
長において定在波が生ずることを確実にする。例えば、
高反射率波長帯の約1/3に等しいずれ量ならばしばし
ば満足できる。もし、相対的なずれ量が大きすぎると、
いずれかのミラーは設計波長において、定在波を効率的
に生ずるためには小さすぎる反射率を有することとな
る。
50%がそのゲイン媒体を一回通過して吸収されるよう
に、選択される。上記のように、これにより、ポンプエ
ネルギーがゲイン媒体16を2回通過した後には、約7
5%のポンプエネルギーが吸収されることとなる。も
し、1度目の通過でポンプエネルギーの実質的に50%
以上が吸収されると、反転分布は不均一に生ずる。
に設計された本発明によるレーザの1実施例である。上
部ミラー19はAl0.11Ga0.89As(737Å)層と
AlAs(625Å)層が交互に25ペアー積層して構
成され、下部ミラー19はAl0.11Ga0.89As(71
9Å)層とAlAs(608Å)層が交互に29.5ペ
アー積層して構成される。ゲイン媒体は、3つのGaA
s(609Å)活性層により構成され、それぞれの活性
層は、Al0.11Ga0.89As(625Å)バリア層によ
り分離されている。Al0.11Ga0.89As(312Å)
バリア層は活性層とそれぞれのミラー13および19の
間に配置される。活性層は、効率を最大にするため、ミ
ラー13と19の間に生ずる定在波のはら(antin
odes)の地点に位置する。
ラー19に比べて相対的に約14nmだけずれている。
ミラー13と19は、例えば米国特許第4、999、8
42号において定義されている用語によれば、「アンバ
ランス」である。即ち、下部ミラー13は、上部ミラー
19に比べてより多くの積層を有する。その結果とし
て、下部ミラー13の反射率は、設計波長において、上
部ミラー19の反射率よりも大きい。上部ミラー19の
反射率が下部ミラー13の反射率よりも低いために、出
力光は、上部ミラー19から放射される。上部ミラー1
9のノッチは、ポンプ波長において十分に透過性を有
し、キャビティモード波長より40−50meVだけ高
いに過ぎず、ゲイン媒体16の均一波長幅の範囲内であ
る。その結果として、レーザは、より高速動作が可能
で、コヒーレントエネルギー伝達においてもより効率的
で、これらすべてのことは、非放射性損失を低減させる
こととなる。
明によるレーザはエネルギー伝達損失がより低く高速
で、また、冷却することなく室温で動作することができ
る。
である。
られる、上部分布帰還型ミラーの、反射率曲線である。
(b)は、本発明による面発光型レーザに用いられる、
下部分布帰還型ミラーの、反射率曲線である。
実施例である。
Claims (12)
- 【請求項1】 基板(12)と、 前記基板上に形成された複数の層を含む第1の分布帰還
型ミラー(13)と、前記第1のミラー上に形成され、
少なくとも1つの発光する活性層と1つのバリア層を有
するアクティブゲイン媒体(16)と、 前記アクティブゲイン媒体上に形成された複数の層を含
む第2の分布帰還型ミラー(19)と、 を有し、 前記第1のミラーと第2のミラー(13、19)は、設
計動作波長において定在波の光学場を持続させる共鳴キ
ャビティを形成し、前記設計動作波長は、前記アクティブゲイン媒体(1
6)の均一波長幅の範囲内にあり、 前記第1と第2のミラー(13、19)は、それぞれ第
1及び第2の反射波長帯と、それぞれが光ポンピングエ
ネルギーを受け取るための第1及び第2の透過波長帯を
有し、 前記第1及び第2の反射波長帯は、前記第1及び第2の
透過波長帯が異なる波長に位置するよう、かつ前記第1
及び第2の反射波長帯の一部がオーバーラップするよう
ずれていることを特徴とする面発光型レーザ。 - 【請求項2】 前記第1と第2のミラー(13、1
9)は、高屈折率材料と低屈折率材料を交互に積層した
構造を含むことを特徴とする請求項1記載のレーザ。 - 【請求項3】 前記アクティブゲイン媒体(16)
は、III−V族、II−VI族、3元または4元半導
体を含むことを特徴とする請求項2記載のレーザ。 - 【請求項4】 前記活性層は、前記定在波の光学場の
強度の極大に一致して位置することを特徴とする請求項
1記載のレーザ。 - 【請求項5】 前記アクティブゲイン媒体(16)
は、光ポンプエネルギーが共鳴キャビティを1度横切っ
て、光ポンプエネルギーの約50%が反転分布を誘導す
るように形成されたことを特徴とする請求項1記載のレ
ーザ。 - 【請求項6】 前記波長のずれは、前記第1の反射波
長帯の1/3以下であることを特徴とする請求項1記載
のレーザ。 - 【請求項7】 前記第1のミラー(13)は、それぞ
れ719Åと608Åの厚さのAl0.11Ga0.89As層
とAlAs層が交互に29.5ペアー積層して構成され
ることを特徴とする請求項2記載のレーザ。 - 【請求項8】 前記第2のミラー(19)は、それぞ
れ737Åと625Åの厚さのAl0.11Ga0.89As層
とAlAs層が交互に25ペアー積層して構成されるこ
とを特徴とする請求項7記載のレーザ。 - 【請求項9】 前記アクティブゲイン媒体(16)は、
それぞれが609Åの厚さのGaAs活性層を3層を含
み、前記各GaAs活性層が625Åの厚さのAl0.11
Ga0.89Asバリア層で分離されていることを特徴とす
る請求項8記載のレーザ。 - 【請求項10】 前記第1と第2のミラー(13、1
9)の内の一方のミラーは、共鳴キャビティで生ずる発
振モード波長より40−50meV高い波長のすべての
ポンプエネルギーを伝搬することを特徴とする請求項1
記載のレーザ。 - 【請求項11】 共通の基板上に複数の面発光型レーザ
が形成され、前記面発光型レーザのそれぞれが、 前記基板上に形成された複数の層を含む、第1の分布帰
還型ミラー(13)と、 前記第1のミラー上に形成され、少なくとも一つの活性
発光層と一つのバリア層を含むアクティブゲイン媒体
(16)と、 前記アクティブゲイン媒体上に形成され、複数の層を含
む第2の分布帰還型ミラー(13、19)とを有し、 前記第1と第2のミラー(13、19)は、設計動作波
長において定在波の光学場を持続させる共鳴キャビティ
を形成し、前記設計動作波長は、前記アクティブゲイン媒体(1
6)の均一波長幅の範囲 内にあり、、 第1及び第2の反射波長帯を有する前記第1及び第2の
ミラーは、光ポンプエネルギーを受け取るためにそれぞ
れ第1及び第2の透過波長帯を有し、 前記第1及び第2の反射波長帯は、前記第1及び第2の
透過波長帯が異なる波長に位置するよう、かつ前記第1
及び第2の反射波長帯の一部がオーバーラップするよう
ずれていることを特徴とするモノリシックレーザアレ
イ。 - 【請求項12】 前記アクティブゲイン媒体(16)
は、半導体ゲイン媒体であることを特徴とする請求項1
または12のいずれかに記載のレーザ。
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