JP3244529B2 - 面発光型第２高調波生成素子 - Google Patents

面発光型第２高調波生成素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、面発光型第２高調波生
成素子に関し、基板と垂直方向に第２高調波（特に、紫
色，青色，緑色の単色光）を高効率で取り出すことを可
能とする上記素子に関する。
【０００２】
【技術背景】光応用測定，光通信，光表示の分野、その
他の各種オプトエレクトロニクスの分野において、青色
光源としてレーザ光やＬＥＤ光が用いられている。ＬＥ
Ｄを用いた光発生装置（特に、青色光を発生できるも
の）として、ＧａＮ系半導体を用いたもの（例えば、S.
Nakamura, T.Mukai, and M.Senoh: Jpn. J.Appl. Phys.
Vol.30 (1991)L1998 参照）が知られているが、ＬＥ
Ｄ光は波長幅が広い（単一波長を生成できない）ため、
近年オプトエレクトロニクスの分野ではＬＥＤ以上にレ
ーザが広く使用されるに至っている。
【０００３】例えば、ＺｎＣｄＳＳｅ系の半導体レーザ
には、良好な青色光出力を得ることができるものがある
（例えば、M.A.Hasse, J.Qiu, J.M.DePuydt and H.Chen
g :Appl. Phys. Lett. Vol.59 (1991)1272 参照）。し
かし、現状では、このような装置は極低温に冷却して使
用されており、常温領域では実用的な光出力を得ること
ができない。
【０００４】また、非線形光学結晶（ＬｉＮｂＯ３やＫ
ＮｂＯ３などの誘電体、ＧａＡｓなどの半導体、有機物
など）に、高出力固体レーザ光または高出力半導体レー
ザ光を入射させ第２高調波を発生させる方式の発光素子
が知られている（例えば、A.Yariv : Introduction to
Optical Electronics, 3rd ed. (Holt, Rinehart andWi
nston, New York 1985); 多田邦雄，神谷武志 訳
「光エレクトロニクスの基礎」：丸善株式会社 参
照）。この素子は、例えば、図６に示すように、一対の
光学的な反射鏡２１，２２間にレーザ源２３と非線形光
学結晶２４を配置し、レーザ光を非線形光学結晶２４に
照射して第２高調波を生成し、第２高調波透過性が高い
一方の反射鏡２２から青色光を取り出している。しか
し、上記素子は、大きさが大きくなるとともに、製作コ
ストが増大するといった不都合があり、また複数の部材
（反射鏡２１，２２、レーザ源２３、非線形結晶２４
等）を組み合せて構成するので、調整が極めて困難であ
るとともに、出力が不安定であるなどの問題がある。
【０００５】さらに、通常のストライプ型のＧａＡｓ系
またはＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの端面から第２高調
波を取り出すもの（例えば、N.Ogasawara, R. Ito, H.R
okukawa and W.Katsurashima : Jpn. J. Appl. Phys. V
ol26(1987)1386 参照）も知られているが、この素子
は、端面反射率が低いために素子内部での基本波パワー
が低く、また共振器が長いために吸収損失が大きく、さ
らに位相整合をとるための構造を施すことが極めて困難
である。このため、高効率で第２高調波を発生させるこ
とができないといった問題がある。
【０００６】また、共振器に対して垂直方向の素子表面
から第２高調波を取り出すものも考えられている（例え
ば、D.Vakhshoori, R.J.Fisher, M.Hong, D.L.Sivco,G.
J.Zydzik, G.N.S.Chu and A.Y.Cho : Appl. Phys. Let
t. Vol59(1991)896 参照）が、この素子は、上記端面か
ら第２高調波を取り出すものと同様の理由から第２高調
波出力が小さく、しかも出力光が広範囲で広がるので集
光が容易でないといった不都合があり、現状では未だ実
用には至っていない。
【０００７】
【発明の目的】本発明は、上記のような不都合や問題点
を解決するために提案されたものであって、常温近傍
（例えば、−３０〜＋１００℃）で高効率かつ高出力の
第２高調波を発生でき、しかも小型，低エネルギー消
費，低製造コストの面発光型第２高調波生成素子を提供
することを目的とする。
【０００８】
【発明の概要】ところで、最近、基板と垂直方向に共振
器を形成してなる面発光レーザが注目されている（ 例
えば、伊賀健一，小山二三夫著 「面発光レーザ」：オ
ーム社１９９０ 参照）。これらの面発光レーザは、例
えば、光磁気ディスク装置におけるデータの書き込み
や読み出し用の光源、フォトルミネセッンスを利用し
た医療機器の光源、レーザを用いたディスプレイにお
ける光源等として使用される。
【０００９】この種の面発光レーザは、例えば図７に示
すように、いわゆる（１００）基板（基板面方位が基板
を構成する結晶の［１００］方位に一致するように構成
した基板）に、活性領域３２を含む垂直共振器３３を形
成し、この垂直共振器の両端に高い反射率を有する反射
鏡３４，３５を形成して構成される。この反射鏡３４，
３５としては、一般的には半導体多層膜または誘電体多
層膜が用いられる。このような面発光レーザは、常温で
は出力が数ｍＷまでは単一波長で単一モード発振する。
このときの、発振器内部での光強度は、上記出力の１０
０倍以上すなわち数百ｍＷと見積られている。
【００１０】本発明者等は、図７に例示したような垂直
共振器型のＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体面発光レーザ
が、 基本波を第２高調波へ変換する際の効率は、基本波の
パワーに比例するため、垂直共振器レーザ内部で第２高
調波を生成できれば、基本波の光強度が第２高調波の生
成に極めて有利となること、 垂直共振器レーザは、一対の反射鏡を有しており、一
方の反射鏡に第２高調波を透過させるための特性を持た
せることができること、 非線形係数の大きい結晶で作られていること、等に着
目した。そして、さらに検討を重ねた結果、位相整合層
を上記垂直共振器面発光レーザ内に形成することで、小
型、低エネルーギ消費かつ低作成コストの第２高調波生
成素子を製造できるとの知見を得た。
【００１１】本発明の面発光型第２高調波生成素子は、
上記知見に基づきなされたもので、ＩＩＩ−Ｖ族系化合
物半導体結晶よりなる活性層と、該活性層の両側に形成
されたスペーサ層と、さらに両スペーサ層の活性層とは
反対側に位置して形成され、一方が第２高調波を所定率
で透過させる、一対の反射鏡と、を共振器として有して
なり、前記共振器内の半導体結晶の〈１００〉方位が光
射方向と５°以上の角度をなすことを特徴とする。ま
た、共振器内の半導体結晶の〈１１１〉，〈２１１〉，
〈１１０〉方位のいずれかが光射出方向にほぼ一致する
ことをも特徴とする。なお、〈ａｂｃ〉（ａ，ｂ，ｃは
整数）は［ａｂｃ］と等価な方位を表すための表記であ
り、例えば、〈１００〉は（表１）に示す方位を意味し
ている。
【００１２】
【表１】
【００１３】以下、上記本発明における第２高調波生成
の原理を説明する。なお、結晶面や結晶面の方位を示す
場合、オーバーラインを付した数字が用いられるが、以
下においては、結晶面や結晶面方位を表示するために、
マイナス符号を該数字に付する表示方法を併用する。一
般に、基本波から第２高調波を生成する場合、非線形光
学結晶が用いられる。本発明では、このような結晶とし
て、ＧａＡｓ等の閃亜鉛鉱型結晶構造のものが使用され
る。閃亜鉛鉱型結晶に光が伝搬すると、結晶に２次の
（周波数が基本波の２倍の）非線形性分極ＰＮＬが誘起
され、該分極ＰＮＬの大きさに比例する電場をもつ第２
高調波が生成される。なお、生成される第２高調波の大
きさは、共振器内の（位相整合層を含む）半導体結晶の
面方位に依存するが、共振器内の半導体結晶の面方位
は、基板を構成する結晶の面方位と同一方位を持つ。こ
のため、基板を構成する結晶の面方位と基本波との関係
を論ずることは、共振器を構成する結晶の面方位と基本
波との関係を論ずることに他ならないため、以下、基板
結晶の面方位を結晶面方位として説明する。
【００１４】いま、ｘ−ｙ−ｚ直交座標系のｘ軸を基板
面の法線方向にとり、該ｘ軸方向に基本波が伝搬する場
合を考察する。分極ＰＮＬのｘ，ｙ，ｚ成分、
ＰＮＬｘ，ＰＮＬｙ，ＰＮＬｚは、（数１）に示す式で
表すことができる。
【００１５】
【数１】
【００１６】ここで、ＰＮＬｘ，ＰＮＬｙ，Ｐ
ＮＬｚは、分極ＰＮＬのｘ，ｙ，ｚ成分であり、ｄｍｎ
（ｍ＝１，２，３、ｎ＝１，２，・・・，６）からなる
行列は基本波の電場と非線形分極を結びつける係数を要
素としている。Ｅｘ，Ｅｙ，Ｅｚは基本波の光電場の
ｘ，ｙ，ｚ成分である。なお、以下では基本波はｘ軸方
向に伝搬するとしているので、常にＥｘ＝０とできる。
しばしば、記号ｄｍｎを要素として持つ行列は、ｘ軸が
［１００］、ｙ軸が［０１０］、ｚ軸が［００１］であ
る場合に対してのみ定義される。ここでは、この定義を
一般化し、いかなる直交するｘ，ｙ，ｚ軸に対しても同
じ記号を用いるものとする。
【００１７】いま、図４（Ａ）に示すように、［１０
０］がｘ軸に、［０１０］がｙ軸に、［００１］がｚ軸
に向くような基板を考える。この基板では、行列要素ｄ
ｍｎは、図４（Ａ）の行列に示すようにｄ１４＝ｄ２５
＝ｄ３６が０以外の値（同図（Ａ）では説明の便宜上
１．０００としてある）を持ち、他の行列要素は０とな
る。このような、基板内をｘ軸方向に光が伝搬すると、
ＰＮＬｙおよびＰＮＬｚは共に０となるため、分極によ
り生じた第２高調波は、ｘ軸方向（基板面に垂直な方
向）には伝搬しない。
【００１８】次に、図４（Ｂ）に示すように、同図
（Ａ）の基板結晶をｘ軸を中心に−４５°回転させた場
合、すなわち、［１００］がｘ軸に、［０１１］がｙ軸
に、［０−１１］がｚ軸に向くような基板の場合も行列
要素からわかるように、第２高調波はｘ軸方向には伝搬
しない。
【００１９】さて、ｘ軸が［１００］に向いていない場
合について、ここでは議論をわかり易くするために、図
４（Ｂ）の基板をｚ軸（または［０−１１］軸）を中心
にｘからｙ方向に回転させた場合について代表的ないく
つかの例を示し、第２高調波生成効率の変化について説
明する。それらの例を、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す。回
転角はそれぞれ−５°，約−３５．３°，約−５４．７
°で、特に図５（Ｂ）では、［２１１］にｘ軸、［−１
１１］にｙ軸、［０−１１］にｚ軸が向いており、図５
（Ｃ）では［１１１］にｘ軸、［−２１１］にｙ軸、
［０−１１］にｚ軸が向いている。なお、図４（Ａ），
（Ｂ）、図５（Ａ）〜（Ｃ）にはそれらの座標軸に対応
する非線形係数行列の行列要素も示してある。
【００２０】これらの行列要素からわかるように、図４
（Ｂ）から図５（Ｃ）に至る回転操作に於いて、Ｅｘ＝
０に注意すると、ｘ軸方向に伝搬する第２高調波に寄与
する非線形分極ＰＮＬｙおよびＰＮＬｚは、 ＰＮＬｙ＝ｄ２２ＥｙＥｙ＋ｄ２３ＥｚＥｚ ＰＮＬｚ＝２ｄ２３ＥｙＥｚ （ただし、ｄ３４＝ｄ２３であることに注意）と書くこ
とができる。
【００２１】簡略して説明すると、この回転に於いて、 −ｄ２２≧ｄ２３≧０であるために、一定の基本波 Ｅ＝（Ｅｙ ２＋Ｅｚ ２）１／２ に対し、ｙ−ｚ平面内の分極 ＰＮＬ＝（ＰＮＬｙ ２＋ＰＮＬｚ ２）１／２ は、基本波がｙ軸方向に偏光している場合（すなわち、
Ｅｚ＝０，Ｅ＝Ｅｙ）に、最大となる。一方、基本波が
ｙ軸方向に偏光しているとすると、回転角度が大きくな
るに従い、ＰＮＬは増加し、図５（Ｂ）の場合に最大値
となる。さらに、回転角度を大きくすると再び減少する
が、図５（Ｃ）の場合には−ｄ２２＝ｄ２３となるの
で、 ＰＮＬ＝−ｄ２２Ｅ２ となり、第２高調波生成効率が基本波の偏光方向には依
存しない良好な特性を得ることができる。
【００２２】計算過程は省略するが、図５（Ａ）の場合
の分極ＰＮＬの大きさの２乗と、図５（Ｃ）の場合の分
極ＰＮＬの大きさの２乗との比を取ると、 （０．２６０／０．８１６）２≒０．１ となる。上式は、基板の〈１００〉方位（すなわち、共
振器内の半導体結晶の〈１００〉方位）が光射方向と５
°の角度を有している場合には、基板の〈１１１〉方位
（すなわち、共振器内の半導体結晶の〈１１１〉方位）
が光射方向に一致する場合の約１０パーセントの第２高
調波の生成効率を得ることができることを意味してい
る。第２高調波を上記１０パーセントの効率で得ること
ができれば、十分実用に供し得ると考えられ、これが、
本発明において、共振器内の半導体結晶の〈１００〉方
位が光射方向と５°以上の角度をなすことの根拠となっ
ている。
【００２３】上記回転方向とは異なる方向への回転やｙ
軸を中心とする回転についての詳細にいては触れない
が、基本的には、それらの場合においても、 ｘ軸と〈１００〉とのなす角が大きくなるに従い、Ｐ
ＮＬは大きくなり、 ｘ軸が〈２１１〉に向いている場合（図５（Ｂ）参
照）や〈１１０〉に向いている場合が基本波の偏光が適
当であれば最大となり、 ｘ軸が〈１１１〉に向いている場合には、多少の場
合より小さいが、基本波の偏光によらない効率が得られ
る。
【００２４】なお、基板の〈１００〉が光射方向と４°
程度の角度を持つように基板を構成することも従来行わ
れているが、これは、該角度を持たせることが結晶の成
長に有利であることに基づくもので、第２高調波を生成
することを目的としていない。したがって、出力端の反
射鏡は第２高調波を透過するようには構成されていな
い。また、面発光レーザを応用して第２高調波を生成す
る技術は存在しないので、第２高調波発生のための位相
整合をとる試みも無論なされてはいない。
【００２５】以上述べたように、共振器内の半導体結晶
の〈１００〉方位が光射方向（すなわち、基板面の方
位）と５°以上の角度を持つように、あるいは、共振器
内結晶の〈１１１〉，〈２１１〉，〈１１０〉の方位の
何れかが光射方向とほぼ一致するように、第２高調波生
成素子を構成すれば、第２高調波を高効率で取り出すこ
とができる。また、閃亜鉛鉱型構造の結晶として、Ｇａ
Ａｓ等のように非線形係数が大きいものを使用すれば、
第２高調波の生成効率がより高いものが実現される。
【００２６】ところで、第２高調波について、共振器内
部で位相整合が取られていない場合には、逆位相の干渉
等により第２高調波が効率良く生成されない。これを防
止するために、本発明では、第２高調波を透過させる側
の反射鏡と、該反射鏡側に位置するスペーサ層との間
に、超格子構造のＩＩＩ−ＶまたはＩＩ−ＶＩ族系化合
物半導体の位相整合層を形成することもできる。
【００２７】位相整合層として、非線形係数の大きさを
変調する方法や符号を反転する方法等、本発明では何れ
の手段も使用できる。非線形係数の大きさの変調により
位相整合する場合、超格子構造は、組成や系の異なるＩ
ＩＩ−Ｖ族系化合物半導体（例えば、ＡｌＧａＡｓ系，
ＩｎＧａＡｓ系，ＡｌＧａＩｎＰ系，ＧａＩｎＡｓＰ系
等）、ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体（例えば、ＺｎＣｄ
ＳＳｅ系，ＺｎＳＳｅ系，ＺｎＣｄＳ系等）からなる層
を交互に積層する。これにより、第２高調波の逆位相の
干渉を極力低く抑えることができる。ＩＩ−ＶＩ族系化
合物半導体を用いて位相整合層を作成する場合には、そ
の第２高調波に対する透過性から、位相整合層の厚みを
プロセス的に可能かつ面発光レーザの基本波の発振を維
持できる程度（例えば、３０μｍ程度）まで厚くするこ
とができる。
【００２８】さらに、第２高調波出力端に設けられたス
ペーサ層、さらには活性層および両スペーサ層を、位相
整合層としても作用するＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体の
超格子により形成することもできる。その場合、格子の
積層数を多くすれば、基本波パワーに対する第２高調波
の生成効率は大きくなるが、あまり積層数を多くし過ぎ
ると、電気抵抗が大きくなり、基本波自体の生成効率が
低下する。
【００２９】以上の原理をより具体的に述べると、次の
ようになる。レーザ共振器内部には基本波（例えば、波
長λ１＝８７０ｎｍ）と共に第２高調波（この場合、波
長λ２＝λ１／２の青色光）が生成される。共振器内部
においては、基本波は該基本波に対しては反射率が高い
（例えば、反射率９９％以上）反射鏡により反射され、
高パワーとなる。一方、第２高調波は、第２高調波を透
過（例えば、透過率５０％以上）する出力端の反射鏡に
より、素子外部に出力される。垂直共振器型の面発光素
子では、基本波パワーが著しく大きい。第２高調波の生
成効率は、基本波パワーに比例するので高出力の第２高
調波が生成されることになる。
【００３０】また、一般に第２高調波は共振器内部で位
相が非整合である場合、生成されても効率よく増幅され
ない。このため、共振器内部に位相整合層を設けたり、
スペーサ層や活性層に位相整合層の機能を兼ね備えさせ
るべく、これらを超格子により構成し、第２高調波を効
率良く生成することができる。このようにして、本発明
の面発光型素子により高効率の第２高調波が生成され
る。
【００３１】なお、本発明の第２高調波生成素子は、
埋め込み型の面発光レーザ、メサキャップ構造の面発
光レーザ、ＤＢＲ面発光レーザ、多重量子井戸面発
光レーザ、単一量子井戸面発光レーザ、多重障壁面
発光レーザ、歪系面発光レーザ、〜の可能な組
み合わせ等の各種方式の面発光レーザにおいて、基板の
面方位の特定、超格子構造の位相整合層の形成、超格子
構造のスペーサ層や活性層の形成等の要件を加えること
で構成することができる。また、本発明の面発光型第２
高調波生成素子では、活性層にＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ
系、ＧａＩｎＡｓＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＩｎＡ
ｓ系等のＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体が基本波の波長に
応じて使用され、基板にはＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、Ｇａ
Ｐ等が使用される。
【００３２】
【実施例】図１は、本発明の面発光型第２高調波生成素
子の一実施例を示す断面説明図である。本実施例の素子
は、（１１１）ＧａＡｓ基板１（基板面方位が［１１
１］の基板）に後述する共振器や反射鏡等が形成された
ものであり、図１に示すように下部に電極２が形成さ
れ、該電極２の上面側に多層膜からなる反射鏡３が形成
されている。なお、前述したように、共振器内の半導体
結晶の面方位は、基板を構成する結晶の面方位と同一方
位を持つので、基板を構成する結晶方位により、共振器
内の半導体結晶の面方位が特定される。上記反射鏡３の
上面には、スペーサ層４／活性層５／スペーサ層６が形
成されている。なお、同図では電極２とスペーサ層４と
の間（中心部を除く）には絶縁層１１が形成されてい
る。
【００３３】一方、基板１の上面には電極７が形成され
ており、該電極７側の面にはエッチングにより第２高調
波の出力部８が形成されている。この出力部８内におい
ては、位相整合層９が前記スペーサ層６の上部に形成さ
れ、さらに位相整合層９の上面には前記反射鏡３と対を
なす、第２高調波出力用の反射鏡１０が形成されてい
る。上記反射鏡３，１０およびこれらの間に形成された
領域（スペーサ層４／活性層５／スペーサ層６／位相整
合層９からなる領域）が共振器を形成することになる。
なお、本実施例では、この位相整合層９は図１に示すよ
うに電極２と電極７間に挟まれない部位（電流が流れな
い部位）に形成してあるので、電気抵抗が増大すること
で基本波パワーが低下するといった不都合は生じない。
【００３４】図２は、図１における垂直共振部αの拡大
図である。図２において、出力端側の反射鏡１０には、
誘電体多層膜（ＳｉＯ２とＴｉＯ２が交互に形成された
層）を用い、それぞれの層厚ｔが、 ｔｄ１＝λ１／〔４ｎｄ１（λ１）〕 ｔｄ２＝λ１／〔４ｎｄ２（λ１）〕 で与えられる層を交互に、１０対程度（またはプロセス
的に可能であればそれ以上）積み重ねて構成する。
【００３５】ここで、ｎ（λ）は波長λにおける屈折率
であり、λ１は基本波の波長である。添字ｄ１はＳｉＯ
２についての膜厚や屈折率、添字ｄ２はＴｉＯ２につい
ての膜厚や屈折率であることを示している。位相整合層
９は、超格子構造をなしており、Ａｌの比率の異なる２
種類のＡｌＧａＡｓ層ｓ１およびｓ２（ｓ１：Ａｌ比率
５０〜９０％、およびｓ２：Ａｌ比率１０〜５０％）か
ら構成されている。ここで、各層ｓ１，ｓ２の厚みｔ
ｓ１，ｔｓ２は、それぞれの屈折率ｎｓ１（λ），ｎ
ｓ２（λ）を用いて次式で定められる。
【００３６】
【数２】 ｔｓ１＝〔ｎｓ１（λ２）／λ２−２ｎｓ１（λ１）／λ１〕−１／２ ｔｓ２＝〔ｎｓ２（λ２）／λ２−２ｎｓ２（λ１）／λ１〕−１／２
【００３７】位相整合層９の全層厚は、平均吸収係数の
逆数の数倍、すなわち、２〜２０μｍ程度である。上記
実施例では、面方位が［１１１］である基板（すなわち
（１１１）基板）を採用したが、本発明はこれに限定さ
れず、面方位が〈１００〉から大きく異なった基板、具
体的には基板面の方位が、該基板結晶の〈１００〉方位
に対して５°以上の角度を有しているＩＩＩ−Ｖ族系化
合物半導体の基板であれば、効率には差はあるが、第２
高調波を生成することができる。活性層５はＡｌＧａＡ
ｓ等により形成してもよく、基本波の波長に応じて組成
を決定する。
【００３８】反射鏡３，１０は、必ずしも誘電体多層膜
である必要はなく、例えば半導体多層膜、金属膜あるい
は金属膜と誘電体膜とを組合せた膜を使用することがで
きる。出力側の反射鏡１０は、基本波の波長に対しては
「基本波のレーザ発振を誘起するのに十分高い反射率」
を持ち、かつ、第２高調波に対しては「発生した第２高
調波を取り出すのに十分な高い透過率」を持っていれば
良く、出力側でない反射鏡３は「基本波のレーザ発振を
誘起するのに十分高い反射率」を持つ条件のみを満足す
ればよく、誘電体多層膜に比べれば電気抵抗が低い半導
体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）も好ましく使用され得る。
【００３９】上記実施例では位相整合層９の超格子をＡ
ｌＧａＡｓ系化合物半導体により構成したが、ＩｎＧａ
Ａｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＩｎＡｓＰ系等の他の
ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体により構成することもでき
るし、更にＺｎＣｄＳＳｅ系、ＺｎＳＳｅ系、ＺｎＣｄ
Ｓ系等のＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体により構成するこ
ともできる。前述したように、ＩＩ−ＶＩ族系化合物半
導体を用いて位相整合層９を作成した場合には、位相整
合層９の厚みをプロセス的に可能かつ面発光レーザの基
本波の発振を維持できる程度にまで厚くすることができ
る。位相整合の方法やそこに用いられる各層の厚さは上
記実施例に限られる訳ではなく、一般に知られている方
法（例えば、先に挙げたＡ．ＹａｒｉｖやＤ．Ｖａｈｋ
ｓｈｏｏｒｉの文献に記載されている方法等）であれば
いかなる方法も使用できる。例えば、定在波に対する位
相整合法として良く知られているように、各層の厚さを
数２における［］内を第１項のみとし、下式とした位相
整合法も有効である。 ｔｓ１＝λ２／［２ｎｓ１（λ２）］ ｔｓ２＝λ２／［２ｎｓ２（λ２）］ また、上記実施例では、非線形係数の大きさを変調する
方法で位相整合を行ったが、非線形係数の符号を反転す
る方法で位相整合を行うこともできる。さらに、上記実
施例に代表される様な矩形で各層が位相差（すでに発生
されて進行する第２高調波と逐次発生される第２高調波
との位相差）の周期の半分半分を担う非線形係数の変調
方法でなくとも、例えば、連続的な変調、各層が位相差
の周期を担う割合が半分半分でないもの等、逆位相の干
渉を効率良く防止するものであれば、様々な方法が可能
である。なお、位相整合層の合計は常に有限であるか
ら、非線形係数の変調の周期は、広がったスペクトルを
持ち、その広がりに応じて層厚に許容誤差を与えてもよ
い。
【００４０】ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体の位相整合条
件を満たすための超格子構造を、スペーサ層や活性層に
導入し、それらの層に位相整合層の作用を兼ね持たせる
（位相整合層としても作用する）こともできる。すなわ
ち、（ｉ）「スペーサ層」、（ｉｉ）「第２高調波出力
端側のスペーサ層および活性層」、あるいは（ｉｉｉ）
「両スペーサ層および活性層」に位相整合層の働きをも
たせ、位相整合層を薄くないしは取り去ることも可能で
ある。なお、図３は上記（ｉｉｉ）の具体例である。こ
の場合、位相整合層の働きを持つ層の厚みが吸収係数の
逆数の数倍となるようにする。
【００４１】上記のように、スペーサ層や活性層に位相
整合層の作用を兼ねさせるべく超格子構造を導入するこ
とは、半導体レーザの電気抵抗を増加させることにもな
り、第２高調波発生効率との間でトレードオフとなる
が、 図１に示すような位層整合層を設ける必要がなくなる
か、または薄くすることができる。 に起因して基本波の吸収が減少する。 同じくに起因してモードの単一性が良くなる。 同じくに起因してプロセスが容易となる。この場
合、スペーサ層４′，６′ではＡｌ比率の異なる２種類
のＡｌＧａＡｓによる超格子（すなわち、ＡｌｘＧａ
１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ−超格子、ただしｘ
≠ｙ）等を、活性層５′ではＧａＡｓとＡｌＧａＡｓと
による超格子（ＧａＡｓ／ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ−超格
子）等をそれぞれ用いる。なお、活性層がＡｌＧａＡｓ
の場合には、活性層はＡｌ比率の異なる２種類のＡｌＧ
ａＡｓによる超格子により生成する。
【００４２】
【発明の効果】本発明は、上記のように構成したので以
下の効果を奏することができる。 （１）面発光素子により第２高調波を高効率で取り出す
ことができる。また、基板の材料や面方位、反射鏡の組
成を変更することで、紫色−緑色光はもとより、赤色領
域から紫外領域にわたる波長を生成することができる。 （２）面発光レーザの長所をそのまま取り入れているの
で、小型でエネルギー消費が低く、かつ、低製作コスト
の第２高調波生成素子を提供することができる。したが
って、円形かつ単一モードの第２高調波を生成できるの
で、ファイバー等への結合を高効率で行うことができ
る。さらに、アレイ化することが容易であり、アレイ内
の素子毎に波長の異なる単色光を出力することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第２高調波生成素子の一実施例を示す
図であり、素子全体を示す断面説明図である。
【図２】図１におけるα部の各層の断面説明図である。
【図３】本発明の第２高調波生成素子の他の実施例を示
す各層の断面説明図である。
【図４】本発明の作用を説明するための、非線形係数か
らなる行列および基板の方向を示す図である。
【図５】本発明の作用を説明するための、非線形係数か
らなる行列および基板の方向を示す図である。
【図６】従来の第２高調波生成素子の一例を示す図であ
る。
【図７】面発光レーザの概略を示す断面説明である。
【符号の説明】
１ 基板 ２ 電極 ３ 非出力側の反射鏡 ４，６ スペーサ層 ５ 活性層 ７ 型電極 ８ 第２高調波の出力部 ９ 位相整合層 １０ 第２高調波出力側反射鏡 １１ 絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 399117121 395 Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎ ｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 市村 好克 神奈川県川崎市高津区坂戸３−２−２ ヒューレット・パッカード 日本研究所 内 (56)参考文献 特開 平４−14024（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−172392（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−303984（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−307524（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−280484（ＪＰ，Ａ) ＶＡＫＨＳＨＯＯＲＩ Ｄ．，ｅｔ. ａｌ．，Ｂｌｕｅ−ｇｒｅｅｎ ｓｕｒ ｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｓｅｃｏ ｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａ ｔｉｏｎ ｏｎ（111）Ｂ ＧａＡｓ, Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅ ｔｔｅｒｓ，1991年 ８月19日，Ｖｏ ｌ．59，Ｎｏ．８，ｐｐ．896−898 ＬＯＤＥＮＫＡＭＰＥＲ Ｒ．，ｅ ｔ．ａｌ．，ＳＵＲＦＡＣＥ ＥＭＩＴ ＴＩＮＧ ＳＥＣＯＮＤ ＨＡＲＭＯＮ ＩＣ ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ ＩＮ Ｖ ＥＲＴＩＣＡＬ ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ, ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲ Ｓ，1991年 ９月26日，Ｖｏｌ．27，Ｎ ｏ．20，ｐｐ．1882−1884 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 G02F 1/37 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体結晶よりな
    る活性層と、 該活性層の両側に形成されたスペーサ層と、 さらに両スペーサ層の活性層とは反対側に位置して形成
    され、一方が第２高調波を所定率で透過させる、一対の
    反射鏡と、 を垂直共振器として有してなる面発光型第２高調波生成
    素子であって、 前記垂直共振器内の半導体結晶の〈１００〉方位が光射
    方向と５°以上の角度をなすことを特徴とする面発光型
    第２高調波生成素子。
  2. 【請求項２】 前記垂直共振器内の半導体結晶の〈１１
    １〉，〈２１１〉，〈１１０〉方位のいずれかが前記光
    射出方向にほぼ一致することを特徴とする請求項１記載
    の面発光型第２高調波生成素子。
  3. 【請求項３】 第２高調波を透過させる側の前記反射鏡
    と、該反射鏡側に位置する前記スペーサ層との間に、Ｉ
    ＩＩ−ＶまたはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体からなり、
    前記垂直共振器内の半導体結晶と同一の方位を有する超
    格子構造の位相整合層がさらに形成されてなることを特
    徴とする請求項１〜２記載の面発光型第２高調波生成素
    子。
  4. 【請求項４】 第２高調波出力端側に設けられた前記ス
    ペーサ層が、位相整合作用を有する超格子により形成さ
    れてなることを特徴とする請求項１〜３記載の面発光型
    第２高調波生成素子。
  5. 【請求項５】 前記活性層および前記スペーサ層が、位
    相整合作用を有する超格子により形成されてなることを
    特徴とする請求項１〜３記載の面発光型第２高調波生成
    素子。
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