JP3494918B2 - レーザ装置 - Google Patents
レーザ装置Info
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- active region
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- laser
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
- H01S3/083—Ring lasers
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して固体レーザ
装置(solid state laser) に関し、詳しくはマイクロシ
リンダ形（微細筒形）（micro-cylinder）固体レーザ装
置に関する。
装置(solid state laser) に関し、詳しくはマイクロシ
リンダ形（微細筒形）（micro-cylinder）固体レーザ装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザの、光源としての優れた性質によ
って、一方では科学及び医療面から他方は光通信及びＣ
Ｄプレイヤにわたる広範囲の用途において光学を革命的
に進歩させて来た。レーザ装置は、２個の基本構成要素
である活性領域（active region）と光共振器（optical
resonator） とからなる。エネルギー源によって適切
にポンピング（励起）されると、活性領域は、活性領域
の材料又はその構造によって定まる中心波長で光を生成
する。
って、一方では科学及び医療面から他方は光通信及びＣ
Ｄプレイヤにわたる広範囲の用途において光学を革命的
に進歩させて来た。レーザ装置は、２個の基本構成要素
である活性領域（active region）と光共振器（optical
resonator） とからなる。エネルギー源によって適切
にポンピング（励起）されると、活性領域は、活性領域
の材料又はその構造によって定まる中心波長で光を生成
する。
【０００３】共振器は活性領域を内蔵してレーザ光の誘
導放出のための光帰還（optical feedback）状態を生成
するもので、誘導放出レーザ光の特性（例えば光パワ
ー、ビーム指向性、及びスペクトル特性）に影響を与え
る。又、共振器によって、レーザ装置の物理的な外形、
例えば、大きさ及び形状、が定まる。
導放出のための光帰還（optical feedback）状態を生成
するもので、誘導放出レーザ光の特性（例えば光パワ
ー、ビーム指向性、及びスペクトル特性）に影響を与え
る。又、共振器によって、レーザ装置の物理的な外形、
例えば、大きさ及び形状、が定まる。
【０００４】レーザ装置のうちで最も広範に用いられ使
い易い種類である半導体レーザ装置は一般に、劈開面結
晶ファセット（ファブリ-ペロー空洞）（cleaved cryst
al facets (Fabry-Perot cavities)）、 エッチングさ
れた分布帰還（ＤＦＢ）格子（distributed feedback
(DFB) gratings）、エッチングされた分布ブラグ反射器
（distributed Bragg reflectors (DBRs)）、又はこれ
らの適切な組合せ、の形で構成した共振器ミラーを用い
る。
い易い種類である半導体レーザ装置は一般に、劈開面結
晶ファセット（ファブリ-ペロー空洞）（cleaved cryst
al facets (Fabry-Perot cavities)）、 エッチングさ
れた分布帰還（ＤＦＢ）格子（distributed feedback
(DFB) gratings）、エッチングされた分布ブラグ反射器
（distributed Bragg reflectors (DBRs)）、又はこれ
らの適切な組合せ、の形で構成した共振器ミラーを用い
る。
【０００５】概していえば、レーザ発光しきい値及び活
性領域の容積を削減するために共振器ミラーの反射率
（reflectivity）を増加させることが望ましい。これら
の必要事項を満足させることにより、所要ポンピングエ
ネルギーが減少し、レーザの実装密度能力（packing de
nsity capability）（例えば、アレイ又は光ＩＣにおけ
る）が増大する。
性領域の容積を削減するために共振器ミラーの反射率
（reflectivity）を増加させることが望ましい。これら
の必要事項を満足させることにより、所要ポンピングエ
ネルギーが減少し、レーザの実装密度能力（packing de
nsity capability）（例えば、アレイ又は光ＩＣにおけ
る）が増大する。
【０００６】従来技術においては、高反射率ミラーの開
発、特に、比較的最近の新設計のマイクロディスク形レ
ーザ（microdisk lasers）でのこのようなミラーの開発
において、顕著な進歩が見られている。これらのレーザ
は、１に極めて近いミラー反射率を達成するために全内
反射（total internal reflection） を利用するレーザ
であって、円形対称形の（circularly symmetric）（例
えば、筒形（cylindrical） 又はディスク状（disk-lik
e）） 共振器に基づくものである。
発、特に、比較的最近の新設計のマイクロディスク形レ
ーザ（microdisk lasers）でのこのようなミラーの開発
において、顕著な進歩が見られている。これらのレーザ
は、１に極めて近いミラー反射率を達成するために全内
反射（total internal reflection） を利用するレーザ
であって、円形対称形の（circularly symmetric）（例
えば、筒形（cylindrical） 又はディスク状（disk-lik
e）） 共振器に基づくものである。
【０００７】これらの共振器は、「ホイスパリング・ギ
ャラリ（ささやき回廊）」（whispering gallery = Ｗ
Ｇ） モードとして知られるモード（以下、ＷＧモー
ド）におけるレーザ発光をサポートする。これについて
は文献（S.L.McCall et al., Appl. Phys. Lett., Vol.
60, No.3, pp.289-291 (1992)）を参照されたい。ここ
に本文献を本出願の引用文献とする。
ャラリ（ささやき回廊）」（whispering gallery = Ｗ
Ｇ） モードとして知られるモード（以下、ＷＧモー
ド）におけるレーザ発光をサポートする。これについて
は文献（S.L.McCall et al., Appl. Phys. Lett., Vol.
60, No.3, pp.289-291 (1992)）を参照されたい。ここ
に本文献を本出願の引用文献とする。
【０００８】図３中の右側挿入図及び図８（Ａ）に示す
ように、ＷＧモードにおいては、光は共振器の、湾曲し
た筒形境界の近くに位置するそのモードでの経路（モー
ドパス）（modal path）に沿って周回し、全内反射の臨
界角よりも常に大きな入射角で共振器の壁から反射され
る。こうして、周回光（circulating light） は、境界
を通しての過渡的な漏れ（evanescent leakage）（すな
わちトンネリング（tunneling）） と壁表面の粗さに基
づく散乱とによる極く僅かな光損失があるだけで、それ
以外は周回光のほぼ全てが共振器内に閉じこめられる。
ように、ＷＧモードにおいては、光は共振器の、湾曲し
た筒形境界の近くに位置するそのモードでの経路（モー
ドパス）（modal path）に沿って周回し、全内反射の臨
界角よりも常に大きな入射角で共振器の壁から反射され
る。こうして、周回光（circulating light） は、境界
を通しての過渡的な漏れ（evanescent leakage）（すな
わちトンネリング（tunneling）） と壁表面の粗さに基
づく散乱とによる極く僅かな光損失があるだけで、それ
以外は周回光のほぼ全てが共振器内に閉じこめられる。
【０００９】ＷＧモードの別の顕著な特性は、共振器境
界への入射角と、共振器内での回転（周回）の向き（se
nse） とに関する。具体的には、入射角χが一定に保た
れる（保存される）。すなわち、ＷＧモードにおける境
界への入射角は常に、ｓｉｎχ≧１／ｎとなるような同
一角度である。そして特定のモードパスに沿って伝搬す
る光線の回転の向きは時間的に一定であり、空間的に固
定である。例えば、与えられたモードパスに沿って時計
回り又は反時計回りであり、時間によってその回転の向
きが変化することがない。
界への入射角と、共振器内での回転（周回）の向き（se
nse） とに関する。具体的には、入射角χが一定に保た
れる（保存される）。すなわち、ＷＧモードにおける境
界への入射角は常に、ｓｉｎχ≧１／ｎとなるような同
一角度である。そして特定のモードパスに沿って伝搬す
る光線の回転の向きは時間的に一定であり、空間的に固
定である。例えば、与えられたモードパスに沿って時計
回り又は反時計回りであり、時間によってその回転の向
きが変化することがない。
【００１０】これについては,例えば文献（J.U. Noecke
l et al., Optical Processes in Microcavities, R.K.
Chang et al., Eds. (World Scientific Publishers,
Singapore, 1995), Ch. 11 entitled Chaotic Light: A
Theory of Asymmetric Resonant Cavities）（以下、
文献（Noeckel 95） と略称）を参照されたい。ここに
本文献を本出願の引用文献とする。
l et al., Optical Processes in Microcavities, R.K.
Chang et al., Eds. (World Scientific Publishers,
Singapore, 1995), Ch. 11 entitled Chaotic Light: A
Theory of Asymmetric Resonant Cavities）（以下、
文献（Noeckel 95） と略称）を参照されたい。ここに
本文献を本出願の引用文献とする。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ＷＧモードに
基づくマイクロディスク形レーザの重大な欠点は、共振
器のＱ値が高いため出力パワーが比較的低いこと（中赤
外線量子カスケード（mid-infrared quantum cascade）
マイクロディスク形レーザに対して１μＷの範囲内）及
び円形対称形であるため発光出力に指向性（directiona
lity）のないことである。したがって本技術分野におい
て、比較的高い出力パワーと出力ビームの指向性とが得
られるマイクロディスク形レーザの設計手法が求められ
ている。
基づくマイクロディスク形レーザの重大な欠点は、共振
器のＱ値が高いため出力パワーが比較的低いこと（中赤
外線量子カスケード（mid-infrared quantum cascade）
マイクロディスク形レーザに対して１μＷの範囲内）及
び円形対称形であるため発光出力に指向性（directiona
lity）のないことである。したがって本技術分野におい
て、比較的高い出力パワーと出力ビームの指向性とが得
られるマイクロディスク形レーザの設計手法が求められ
ている。
【００１２】比較的低い屈折率（refractive index）の
材料（ｎ≦２）で形成されたＷＧモード共振器について
の最近の理論的研究が指向性発光の問題を扱っている。
材料（ｎ≦２）で形成されたＷＧモード共振器について
の最近の理論的研究が指向性発光の問題を扱っている。
【００１３】例えば文献（J.U. Noeckel et al., Natur
e, Vol.385, No.6611, pp.45-47 (1997)）（以下、文献
（Noeckel 97） と略称）、（J.U. Noeckel et al., Op
t. Lett., Vol.21, No.19, pp.1609-1611 (1996) ）
（以下、文献（Noeckel 96） と略称）及び（J.U. Noec
kel et al., Opt. Lett., Vol.19, No.21, pp.1693-169
5(1994) ）（以下、文献（Noeckel 94） と略称）を参
照されたい。ここにこれら全文献及び上記文献（Noecke
l 95）を本出願の引用文献とする。
e, Vol.385, No.6611, pp.45-47 (1997)）（以下、文献
（Noeckel 97） と略称）、（J.U. Noeckel et al., Op
t. Lett., Vol.21, No.19, pp.1609-1611 (1996) ）
（以下、文献（Noeckel 96） と略称）及び（J.U. Noec
kel et al., Opt. Lett., Vol.19, No.21, pp.1693-169
5(1994) ）（以下、文献（Noeckel 94） と略称）を参
照されたい。ここにこれら全文献及び上記文献（Noecke
l 95）を本出願の引用文献とする。
【００１４】研究された共振器は、非対称形共振空洞
（asymmetric resonant cavities）（ＡＲＣ）の共振器
で、これらの共振器は、円筒形（circular cylindrica
l）（又は球形）対称形を少し（すなわち弱く）変形さ
せたＷＧ共振器である。これら変形共振器（deformed r
esonator）の光線ダイナミックス（ray dynamics）は、
総論として、部分的に又は完全にカオス的（chaotic）
である（上記文献（Noeckel 95）を参照）。
（asymmetric resonant cavities）（ＡＲＣ）の共振器
で、これらの共振器は、円筒形（circular cylindrica
l）（又は球形）対称形を少し（すなわち弱く）変形さ
せたＷＧ共振器である。これら変形共振器（deformed r
esonator）の光線ダイナミックス（ray dynamics）は、
総論として、部分的に又は完全にカオス的（chaotic）
である（上記文献（Noeckel 95）を参照）。
【００１５】カオス的な共振器においては、光線の飛翔
経路（ray trajectories）（すなわち、与えられたモー
ドに対応する軌道又はモードパス）の大きな部分につい
て、元の光線から極く僅か（最少量）でも発射条件（la
unch conditions） （すなわち、始点及び発射角）の異
なるような次の光線の飛翔経路は、元の光線の発射条件
から予測することが不可能である。
経路（ray trajectories）（すなわち、与えられたモー
ドに対応する軌道又はモードパス）の大きな部分につい
て、元の光線から極く僅か（最少量）でも発射条件（la
unch conditions） （すなわち、始点及び発射角）の異
なるような次の光線の飛翔経路は、元の光線の発射条件
から予測することが不可能である。
【００１６】上記の研究において最も深く研究された変
形の種類は、円形境界を四極型変形（quadrupolar defo
rmation） させた２次元凸形（convex）共振器で、極座
標（r,φ）（polar coordinates） によって次の式で表
される。 r(φ)∝(１ + εcos２φ) （１） ここに、εは変形パラメータである。式（１）は、φ＝
０゜が最大曲率の方向に対応し、変形断面の主軸（長
軸）に平行な向きであるような座標系を間接的に定め
る。
形の種類は、円形境界を四極型変形（quadrupolar defo
rmation） させた２次元凸形（convex）共振器で、極座
標（r,φ）（polar coordinates） によって次の式で表
される。 r(φ)∝(１ + εcos２φ) （１） ここに、εは変形パラメータである。式（１）は、φ＝
０゜が最大曲率の方向に対応し、変形断面の主軸（長
軸）に平行な向きであるような座標系を間接的に定め
る。
【００１７】これらの共振器の部分カオス的なＷＧモー
ドでは、比較的低い屈折率の材料（ｎ＜２、例えば、ガ
ラスファイバ又は筒形ダイ・ジェット（cylindrical dy
e jets））において指向性レーザ発光が見られる（上記
文献（Noeckel 96）を参照）。指向性発光の原点は上記
文献（Noeckel 97）に見出される。
ドでは、比較的低い屈折率の材料（ｎ＜２、例えば、ガ
ラスファイバ又は筒形ダイ・ジェット（cylindrical dy
e jets））において指向性レーザ発光が見られる（上記
文献（Noeckel 96）を参照）。指向性発光の原点は上記
文献（Noeckel 97）に見出される。
【００１８】すなわち、境界を変形させることにより、
ＷＧモードにおける光線の入射角が時間とともに変動
し、平均で増大する。結局、当初全内反射によって閉じ
こめられた光線が、臨界角よりも小さい角度で境界に入
射し、屈折によって漏出（escape）する。発光の方向は
原則的には、変形パラメータを適切に選択することによ
って制御できる。
ＷＧモードにおける光線の入射角が時間とともに変動
し、平均で増大する。結局、当初全内反射によって閉じ
こめられた光線が、臨界角よりも小さい角度で境界に入
射し、屈折によって漏出（escape）する。発光の方向は
原則的には、変形パラメータを適切に選択することによ
って制御できる。
【００１９】しかし、上記の理論的研究は、より高い屈
折率の材料（例えば、III-Ｖ族化合物半導体レーザで一
般的なｎ＞３．３）に付随する効果については考慮して
いない。特に、半導体のマイクロディスク形レーザにお
いてどのようにして高出力パワーを得るかについて述べ
ていない。
折率の材料（例えば、III-Ｖ族化合物半導体レーザで一
般的なｎ＞３．３）に付随する効果については考慮して
いない。特に、半導体のマイクロディスク形レーザにお
いてどのようにして高出力パワーを得るかについて述べ
ていない。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、固体レーザ装置が、湾曲した境界を有する筒形共振
器と；共振器内に位置するとともに、適切にポンピング
されたときに誘導放出レーザ光を生成する、活性領域と
からなる。共振器の有効屈折率は、少なくとも１個の秤
動モードをサポートするのに十分な高い値（ｎ＞２、そ
して一般に＞３）を有し、又、共振器の、湾曲した境界
（すなわち、関連する断面）が、少なくとも１個の秤動
モードをサポートするのに十分なように円形形状から変
形した形状を有する。
ば、固体レーザ装置が、湾曲した境界を有する筒形共振
器と；共振器内に位置するとともに、適切にポンピング
されたときに誘導放出レーザ光を生成する、活性領域と
からなる。共振器の有効屈折率は、少なくとも１個の秤
動モードをサポートするのに十分な高い値（ｎ＞２、そ
して一般に＞３）を有し、又、共振器の、湾曲した境界
（すなわち、関連する断面）が、少なくとも１個の秤動
モードをサポートするのに十分なように円形形状から変
形した形状を有する。
【００２１】秤動モード（librational mode）とは、光
の回転の向きが一定でない（すなわち保存されない）こ
とと、モードパスが共振器の境界の近辺に閉じこめられ
ないこととを特徴とするモードである。秤動モードで
は、代わりに、モードパスに沿っての伝搬の方向が、時
間とともに反転し、したがって回転の向きが時計回りか
ら反時計回りへと逆転する。更に、秤動モードは、光線
が、共振器の中央領域を通る飛翔経路に沿って伝播す
る。
の回転の向きが一定でない（すなわち保存されない）こ
とと、モードパスが共振器の境界の近辺に閉じこめられ
ないこととを特徴とするモードである。秤動モードで
は、代わりに、モードパスに沿っての伝搬の方向が、時
間とともに反転し、したがって回転の向きが時計回りか
ら反時計回りへと逆転する。更に、秤動モードは、光線
が、共振器の中央領域を通る飛翔経路に沿って伝播す
る。
【００２２】例として、秤動モードには、Ｖ形（V-shap
ed）秤動モード（簡単に、Ｖ形モード）又はボウタイ
（蝶ネクタイ）形（bow-tie） 秤動モード（簡単に、ボ
ウタイ形モード）があるが、現在のところ後者が比較的
高パワーの指向性出力を生成するので望ましい。本発明
をIII-Ｖ族化合物半導体マイクロシリンダ形レーザ装置
に適用して実現した量子カスケード・レーザ装置におい
ては、円形対称形の共振器を有する従来の半導体、中赤
外線、量子カスケード・マイクロディスク形レーザ装置
に比べて、高指向性の発光出力及び３桁増の光出力パワ
ーの両方が実証された。
ed）秤動モード（簡単に、Ｖ形モード）又はボウタイ
（蝶ネクタイ）形（bow-tie） 秤動モード（簡単に、ボ
ウタイ形モード）があるが、現在のところ後者が比較的
高パワーの指向性出力を生成するので望ましい。本発明
をIII-Ｖ族化合物半導体マイクロシリンダ形レーザ装置
に適用して実現した量子カスケード・レーザ装置におい
ては、円形対称形の共振器を有する従来の半導体、中赤
外線、量子カスケード・マイクロディスク形レーザ装置
に比べて、高指向性の発光出力及び３桁増の光出力パワ
ーの両方が実証された。
【００２３】本発明の本実施例によるレーザは、変形パ
ラメータの範囲がほぼ ０.１２≦ε≦０.２ である扁平
四極型変形（flattened quadrupolar deformation） に
よってほぼ定義される非対称共振空洞によってサポート
されるボウタイ形モードで作動した。この変形を定める
変形関数は、極座標を用いて次の式で与えられる。 r(φ)∝(１ + ２εcos２φ)1/2 （２） しかし、双極型（dipolar）、 膨出四極型（bulging qu
adrupolar） 又は八極型（octapolar） のような他の形
状の変形も、秤動モードの生成に有用である。
ラメータの範囲がほぼ ０.１２≦ε≦０.２ である扁平
四極型変形（flattened quadrupolar deformation） に
よってほぼ定義される非対称共振空洞によってサポート
されるボウタイ形モードで作動した。この変形を定める
変形関数は、極座標を用いて次の式で与えられる。 r(φ)∝(１ + ２εcos２φ)1/2 （２） しかし、双極型（dipolar）、 膨出四極型（bulging qu
adrupolar） 又は八極型（octapolar） のような他の形
状の変形も、秤動モードの生成に有用である。
【００２４】
【発明の実施の形態】図１において、本発明の一実施例
に基づく固体レーザ装置としての、固体でマイクロシリ
ンダ形のレーザ装置１０（solid state, micro-cylinde
r laser） （又は簡単に、レーザ）が、支持用の受台１
４上に配置された筒形の本体１２からなる。活性領域１
２.１ が本体内に内蔵される。
に基づく固体レーザ装置としての、固体でマイクロシリ
ンダ形のレーザ装置１０（solid state, micro-cylinde
r laser） （又は簡単に、レーザ）が、支持用の受台１
４上に配置された筒形の本体１２からなる。活性領域１
２.１ が本体内に内蔵される。
【００２５】適切にポンピング（励起）されると、活性
領域が、中心波長において誘導放出レーザ光を生成す
る。この中心波長は、活性領域の材料のバンドギャップ
（bandgap）（禁止帯幅） によって定まり（例えば、半
導体ダイオードレーザにおいて）、又は活性領域の構造
の量子閉じこめ特性によって定まる（例えば、半導体量
子カスケード・レーザにおいて）。
領域が、中心波長において誘導放出レーザ光を生成す
る。この中心波長は、活性領域の材料のバンドギャップ
（bandgap）（禁止帯幅） によって定まり（例えば、半
導体ダイオードレーザにおいて）、又は活性領域の構造
の量子閉じこめ特性によって定まる（例えば、半導体量
子カスケード・レーザにおいて）。
【００２６】半導体には例えば、III-Ｖ族、II-ＶI族、
及びIＶ-ＶI 族の化合物半導体材料が含まれる。しか
し、活性領域材料は、半導体に限定されるものではな
く、他の比較的高い屈折率の固体材料でもよい。
及びIＶ-ＶI 族の化合物半導体材料が含まれる。しか
し、活性領域材料は、半導体に限定されるものではな
く、他の比較的高い屈折率の固体材料でもよい。
【００２７】説明上、レーザ１０は、符号１６（本体１
２上）及び符号１８（受台１４上）からなる１対の電極
を有するように図示され、これらの電極を介して接続さ
れた電圧源（図示しない）によって供給される電流を用
いて活性領域がポンピングされるように構成されてい
る。しかし、技術的に知られている他のポンピング形
式、例えば光ポンピング、も利用でき、その場合には、
電極を省略し又はポンピング光に対して透明にすること
になる。
２上）及び符号１８（受台１４上）からなる１対の電極
を有するように図示され、これらの電極を介して接続さ
れた電圧源（図示しない）によって供給される電流を用
いて活性領域がポンピングされるように構成されてい
る。しかし、技術的に知られている他のポンピング形
式、例えば光ポンピング、も利用でき、その場合には、
電極を省略し又はポンピング光に対して透明にすること
になる。
【００２８】本発明の一実施例の半導体マイクロシリン
ダ形レーザにおいて、活性領域は、上側に電極１６を形
成した上部クラッド領域（cladding region）１２.２
と、受台１４上に配置された下部クラッド領域１２.３
との間に配置される。クラッド領域は概して、活性領域
よりも低い屈折率を有し、これにより、レーザ発光モー
ドのエネルギーの殆どを活性領域に閉じこめる役をす
る。すなわち、光強度がクラッド領域において指数関数
的に減少する。
ダ形レーザにおいて、活性領域は、上側に電極１６を形
成した上部クラッド領域（cladding region）１２.２
と、受台１４上に配置された下部クラッド領域１２.３
との間に配置される。クラッド領域は概して、活性領域
よりも低い屈折率を有し、これにより、レーザ発光モー
ドのエネルギーの殆どを活性領域に閉じこめる役をす
る。すなわち、光強度がクラッド領域において指数関数
的に減少する。
【００２９】本発明の別の態様によれば、本体１２の境
界、又は少なくとも活性領域 １２.１の境界が筒形空洞
の共振器を形成し、その共振器が円形形状から十分に変
形された形状を有するように、又その共振器の有効屈折
率が十分に高いように構成され、その結果、その共振器
が少なくとも１個の秤動モード（例えば、図８（Ｃ）及
び図８（Ｄ）にそれぞれ示すようなＶ形モード及びボウ
タイ形モード）をサポートし、指向性のある出力光ビー
ムが得られる。
界、又は少なくとも活性領域 １２.１の境界が筒形空洞
の共振器を形成し、その共振器が円形形状から十分に変
形された形状を有するように、又その共振器の有効屈折
率が十分に高いように構成され、その結果、その共振器
が少なくとも１個の秤動モード（例えば、図８（Ｃ）及
び図８（Ｄ）にそれぞれ示すようなＶ形モード及びボウ
タイ形モード）をサポートし、指向性のある出力光ビー
ムが得られる。
【００３０】ここに用いる用語「有効屈折率」とは、誘
導放出光が貫入（penetrate） する本体１２の各領域、
そしてもし放出光が本体１２の外部へ顕著に貫入する場
合には周囲の空気（ｎ＝１）及び／又は基板をも考慮に
入れた屈折率である。例えば、もし本体１２が、光を本
体１２内に強度に閉じこめる固体導波路からなる場合、
有効屈折率は本質的に、活性領域及びクラッド領域を構
成する諸層の屈折率の平均となろう（例えば、III-Ｖ族
化合物半導体に対してはｎ≒３．５）。
導放出光が貫入（penetrate） する本体１２の各領域、
そしてもし放出光が本体１２の外部へ顕著に貫入する場
合には周囲の空気（ｎ＝１）及び／又は基板をも考慮に
入れた屈折率である。例えば、もし本体１２が、光を本
体１２内に強度に閉じこめる固体導波路からなる場合、
有効屈折率は本質的に、活性領域及びクラッド領域を構
成する諸層の屈折率の平均となろう（例えば、III-Ｖ族
化合物半導体に対してはｎ≒３．５）。
【００３１】しかし、もし本体がクラッド層を内蔵せず
したがって光が空気中に貫入する場合には、有効屈折率
はより低い値となる。後者の場合の例示説明が文献（C.
Gmachl et al., IEEE J. Quantum Electron., Vol. 3
3, No. 9, pp. 1567-1573 (1997)） に見られる。ここ
に本文献を本出願の引用文献とする。
したがって光が空気中に貫入する場合には、有効屈折率
はより低い値となる。後者の場合の例示説明が文献（C.
Gmachl et al., IEEE J. Quantum Electron., Vol. 3
3, No. 9, pp. 1567-1573 (1997)） に見られる。ここ
に本文献を本出願の引用文献とする。
【００３２】本文献には、約９.５μｍ の中心波長で作
動するように設計されたIII-Ｖ族化合物半導体、マイク
ロディスク形、量子カスケード・レーザが述べられてい
る。活性領域（ｎ≒２）が狭幅の受台上に搭載された薄
い（２μｍ）、クラッド領域のないディスク形であった
ため、誘導放出光が周囲の空気中に顕著に貫入し、有効
屈折率が約２.５４ に減少した。
動するように設計されたIII-Ｖ族化合物半導体、マイク
ロディスク形、量子カスケード・レーザが述べられてい
る。活性領域（ｎ≒２）が狭幅の受台上に搭載された薄
い（２μｍ）、クラッド領域のないディスク形であった
ため、誘導放出光が周囲の空気中に顕著に貫入し、有効
屈折率が約２.５４ に減少した。
【００３３】円形形状からの変形は、式（１）によって
定義される単純な四極型、式（２）によって定義される
扁平四極型、及び次の式（３）においてｋ＞１（例え
ば、ｋ＝２）によって与えられる膨出四極型のような種
々の形状を取る。 r(φ)∝[１ + (ε/ｋ)(cos２φ)]k （３） 一般的にｋは正数で、式（３）は、ｋ＝１に対して式
（１）の単純な四極型変形を、ｋ＜１に対して扁平四極
型変形を（例えば、式（２）のようなｋ＝１／２の場
合）、又ｋ＞１に対して膨出四極型変形をそれぞれ与え
る。
定義される単純な四極型、式（２）によって定義される
扁平四極型、及び次の式（３）においてｋ＞１（例え
ば、ｋ＝２）によって与えられる膨出四極型のような種
々の形状を取る。 r(φ)∝[１ + (ε/ｋ)(cos２φ)]k （３） 一般的にｋは正数で、式（３）は、ｋ＝１に対して式
（１）の単純な四極型変形を、ｋ＜１に対して扁平四極
型変形を（例えば、式（２）のようなｋ＝１／２の場
合）、又ｋ＞１に対して膨出四極型変形をそれぞれ与え
る。
【００３４】本発明の特定の実施例に適用し得る他の変
形には、次の式（４）で与えられる双極型変形がある。 r(φ)∝[１ + (ε/ｋ)cosφ]k （４） ここに、扁平四極型変形の場合と同様に、ｋ＝１は単純
な双極型変形、ｋ＜１は扁平双極型変形、そしてｋ＞１
は膨出双極型変形である。双極型変形を有する共振器は
Ｖ形モードをサポートするのに特に有用となる。最後
に、八極型変形のようなより高位の変形も有用である。
形には、次の式（４）で与えられる双極型変形がある。 r(φ)∝[１ + (ε/ｋ)cosφ]k （４） ここに、扁平四極型変形の場合と同様に、ｋ＝１は単純
な双極型変形、ｋ＜１は扁平双極型変形、そしてｋ＞１
は膨出双極型変形である。双極型変形を有する共振器は
Ｖ形モードをサポートするのに特に有用となる。最後
に、八極型変形のようなより高位の変形も有用である。
【００３５】更に、ここで望ましいのは、共振器の湾曲
境界が凸湾曲である（すなわちどの点においても境界の
関連断面の曲率の符号（正負）が変化しない）が「正確
に楕円状」ではないことである（後者の形状の場合、秤
動モードがサポートされない）。しかし、主として凸湾
曲であるが１個以上の凹湾曲部を有する共振器が秤動モ
ードをサポートするという特殊な事例もある。
境界が凸湾曲である（すなわちどの点においても境界の
関連断面の曲率の符号（正負）が変化しない）が「正確
に楕円状」ではないことである（後者の形状の場合、秤
動モードがサポートされない）。しかし、主として凸湾
曲であるが１個以上の凹湾曲部を有する共振器が秤動モ
ードをサポートするという特殊な事例もある。
【００３６】現に望ましい実施例においては、マイクロ
シリンダ形のレーザ１０は、比較的高い屈折率（すなわ
ち、ｎ＞３.３） を有するIII-Ｖ族化合物半導体から形
成された量子カスケード・レーザからなり、共振器が扁
平四極型変形の式（２）にほぼ基づいて円形形状から変
形されている。
シリンダ形のレーザ１０は、比較的高い屈折率（すなわ
ち、ｎ＞３.３） を有するIII-Ｖ族化合物半導体から形
成された量子カスケード・レーザからなり、共振器が扁
平四極型変形の式（２）にほぼ基づいて円形形状から変
形されている。
【００３７】ほぼε≧０.１２ の変形パラメータによっ
て、秤動モード、特にボウタイ形モードをサポートする
共振器が得られる。このようなモードで作動するレーザ
によって、ほぼ１０ｍＷの光パワーの指向性出力ビーム
が得られた。この光パワー出力は、円形共振器を有する
中赤外線、量子カスケード・マイクロディスク形レーザ
の出力を超３桁分上回る値である。
て、秤動モード、特にボウタイ形モードをサポートする
共振器が得られる。このようなモードで作動するレーザ
によって、ほぼ１０ｍＷの光パワーの指向性出力ビーム
が得られた。この光パワー出力は、円形共振器を有する
中赤外線、量子カスケード・マイクロディスク形レーザ
の出力を超３桁分上回る値である。
【００３８】<<例>>
［デバイス設計及び製作］以下、本発明の一実施例に基
づくIII-Ｖ族化合物半導体、マイクロシリンダ形、量子
カスケード・レーザの一例について述べる。説明上、種
々の材料、寸法及び動作条件を例示するが、これは説明
の目的用のみの例示であり、別に明記する場合を除き、
これらの例示より本発明の範囲が制限されるものではな
い。
づくIII-Ｖ族化合物半導体、マイクロシリンダ形、量子
カスケード・レーザの一例について述べる。説明上、種
々の材料、寸法及び動作条件を例示するが、これは説明
の目的用のみの例示であり、別に明記する場合を除き、
これらの例示より本発明の範囲が制限されるものではな
い。
【００３９】量子カスケード・レーザは２次元のマイク
ロシリンダ形の幾何学的配置（geometries）に特に適し
ている。例えば、文献（J. Faist et al., Appl. Phys.
Lett., Vol.69, No.17, pp.2456-2458 (1996)）を参照
されたい。ここに本文献を本出願の引用文献とする。上
記文献（C. Gmachl et al.）も同様である。
ロシリンダ形の幾何学的配置（geometries）に特に適し
ている。例えば、文献（J. Faist et al., Appl. Phys.
Lett., Vol.69, No.17, pp.2456-2458 (1996)）を参照
されたい。ここに本文献を本出願の引用文献とする。上
記文献（C. Gmachl et al.）も同様である。
【００４０】この種類のレーザは、カスケード形ＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ結合量子井戸構造（cascaded InG
aAs/InAlAs coupled quantum-well structure） の量子
化伝導帯状態（quantized conduction band states）間
の遷移（transition）に基づく（サブバンド間遷移）。
その意味で、光学的遷移の選択ルールによって、量子井
戸層に直角な偏光（すなわち横磁界偏光（transverse m
agnetic (TM) polarization）） で発光を２次元平面内
のみとすることが可能である。したがって事実上、共振
器平面に鉛直な方向の光は損失がない。
ａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ結合量子井戸構造（cascaded InG
aAs/InAlAs coupled quantum-well structure） の量子
化伝導帯状態（quantized conduction band states）間
の遷移（transition）に基づく（サブバンド間遷移）。
その意味で、光学的遷移の選択ルールによって、量子井
戸層に直角な偏光（すなわち横磁界偏光（transverse m
agnetic (TM) polarization）） で発光を２次元平面内
のみとすることが可能である。したがって事実上、共振
器平面に鉛直な方向の光は損失がない。
【００４１】更に、この量子カスケードレーザは、ダイ
オードレーザと異なり、電子伝達（electron transpor
t）にのみ基づく。このように、大抵の従来の半導体レ
ーザと対照的に、表面が、過剰な望ましくない、電子と
正孔（holes） との非発光表面再結合（non-radiative
surface recombination of electrons and holes）を起
こすことがない。最後に、動作の波長（例えば、 ３.５
〜１３μｍ）は比較的大きく、用いられる材料は周知の
半導体系である。
オードレーザと異なり、電子伝達（electron transpor
t）にのみ基づく。このように、大抵の従来の半導体レ
ーザと対照的に、表面が、過剰な望ましくない、電子と
正孔（holes） との非発光表面再結合（non-radiative
surface recombination of electrons and holes）を起
こすことがない。最後に、動作の波長（例えば、 ３.５
〜１３μｍ）は比較的大きく、用いられる材料は周知の
半導体系である。
【００４２】これらの利点により、粗さによるレイリー
散乱（roughness (Rayleigh) scattering） の重要性が
薄められ、共振器に必要な複雑形状の形成が容易にな
る。
散乱（roughness (Rayleigh) scattering） の重要性が
薄められ、共振器に必要な複雑形状の形成が容易にな
る。
【００４３】量子カスケードの活性領域１２.１ は約
５.２μｍ の波長で発光するように設計され、ＩｎＰ基
板に格子を適合させた分子線エピタキシ法（molecular
beam epitaxy (MBE)）によって成長させたＩｎ0.53Ｇａ
0.47Ａｓ／Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓヘテロ構造（heterost
ructure） からなる。本体１２（すなわち、活性領域と
クラッド領域とから構成される）の有効屈折率は約３.
３ であった。下で更に詳しく述べるように、最終的に
ヘテロ構造は符号１２で示すディスクの形状に、又基板
は受台１４の形状に形成された。
５.２μｍ の波長で発光するように設計され、ＩｎＰ基
板に格子を適合させた分子線エピタキシ法（molecular
beam epitaxy (MBE)）によって成長させたＩｎ0.53Ｇａ
0.47Ａｓ／Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓヘテロ構造（heterost
ructure） からなる。本体１２（すなわち、活性領域と
クラッド領域とから構成される）の有効屈折率は約３.
３ であった。下で更に詳しく述べるように、最終的に
ヘテロ構造は符号１２で示すディスクの形状に、又基板
は受台１４の形状に形成された。
【００４４】ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ活性領域は、
技術的に周知であり、高品質のレーザ性能が得られるよ
うに成熟し事実上最適化された設計が適用された。具体
的には、活性領域は、いわゆる３井戸垂直発光遷移領域
（three-well vertical radiative transition region
s）とこれに適合する電子注入／緩和領域（electron in
jection/relaxation regions） との２５のカスケード
段階から構成された。
技術的に周知であり、高品質のレーザ性能が得られるよ
うに成熟し事実上最適化された設計が適用された。具体
的には、活性領域は、いわゆる３井戸垂直発光遷移領域
（three-well vertical radiative transition region
s）とこれに適合する電子注入／緩和領域（electron in
jection/relaxation regions） との２５のカスケード
段階から構成された。
【００４５】文献(J. Faist et al., Appl. Phys. Let
t., Vol.68, No.26, pp.3680-3682 (1996))(J. Faist e
t al., IEEE J. Quantum Electron., Vol.34, No.2, p
p.336-343 (1998)) を参照されたい。ここにこれら文献
を本出願の引用文献とする。
t., Vol.68, No.26, pp.3680-3682 (1996))(J. Faist e
t al., IEEE J. Quantum Electron., Vol.34, No.2, p
p.336-343 (1998)) を参照されたい。ここにこれら文献
を本出願の引用文献とする。
【００４６】クラッド領域１２.２ 及び１２.３ は各
々、３個のサブ層から構成された。第１層は、活性領域
に隣接する、不純物低添加（low-doped） ＩｎＧａＡｓ
層（Ｓｉを２ｘ１０17ｃｍ-3及び厚さ３５０ｎｍまで添
加）、第２層は内側の、不純物低添加ＩｎＡｌＡｓ層
（これ自体実際には２個のサブ層、すなわちＳｉを２ｘ
１０17ｃｍ-3及び厚さ３００ｎｍまで添加した第１層及
びＳｉを３ｘ１０17ｃｍ-3及び厚さ４００ｎｍまで添加
した第２層からなる）であった。
々、３個のサブ層から構成された。第１層は、活性領域
に隣接する、不純物低添加（low-doped） ＩｎＧａＡｓ
層（Ｓｉを２ｘ１０17ｃｍ-3及び厚さ３５０ｎｍまで添
加）、第２層は内側の、不純物低添加ＩｎＡｌＡｓ層
（これ自体実際には２個のサブ層、すなわちＳｉを２ｘ
１０17ｃｍ-3及び厚さ３００ｎｍまで添加した第１層及
びＳｉを３ｘ１０17ｃｍ-3及び厚さ４００ｎｍまで添加
した第２層からなる）であった。
【００４７】又、第３層は、外側の、不純物高添加Ｉｎ
ＡｌＡｓ層（Ｓｉを７ｘ１０18ｃｍ -3及び厚さ８ｎｍま
で添加）であった。
ＡｌＡｓ層（Ｓｉを７ｘ１０18ｃｍ -3及び厚さ８ｎｍま
で添加）であった。
【００４８】上部クラッド領域１２.２ 内のＩｎＧａＡ
ｓ層とＩｎＡｌＡｓ層との間のインタフェース部には、
インタフェースに近接するＩｎＡｌＡｓ層の不純物高添
加薄層部（Ｓｉを５ｘ１０18ｃｍ-3及び厚さ８ｎｍまで
添加）によって２次元ガス（two-dimensional gas） が
形成された。後者の構造と不純物高添加の頂部層（cap
layer） （Ｓｉを１ｘ１０20ｃｍ-3及び厚さ１００ｎｍ
まで添加）とによって、横方向の電流拡散（current sp
reading） が容易となり、これによって活性領域の全容
積のポンピングが可能となった。
ｓ層とＩｎＡｌＡｓ層との間のインタフェース部には、
インタフェースに近接するＩｎＡｌＡｓ層の不純物高添
加薄層部（Ｓｉを５ｘ１０18ｃｍ-3及び厚さ８ｎｍまで
添加）によって２次元ガス（two-dimensional gas） が
形成された。後者の構造と不純物高添加の頂部層（cap
layer） （Ｓｉを１ｘ１０20ｃｍ-3及び厚さ１００ｎｍ
まで添加）とによって、横方向の電流拡散（current sp
reading） が容易となり、これによって活性領域の全容
積のポンピングが可能となった。
【００４９】活性領域と２個のクラッド領域とから形成
される導波路全体は、対称形となるように、そして、レ
ーザ発光モード（最低次の横磁界モード（横モード））
がＩｎＰ基板／受台と余り重複しない（＜０.５％） よ
うに設計された。こうして、光の基板への結合の不利益
な影響が大幅に低減された。
される導波路全体は、対称形となるように、そして、レ
ーザ発光モード（最低次の横磁界モード（横モード））
がＩｎＰ基板／受台と余り重複しない（＜０.５％） よ
うに設計された。こうして、光の基板への結合の不利益
な影響が大幅に低減された。
【００５０】共振器の幾何学的配置は、光学リソグラフ
ィ（optical lithography） 及び湿式化学エッチング
（wet chemical etching）によって実現された。概略の
扁平四極型変形形状は、矩形で接続された２個の半円形
で構成されたホトレジスト・パターンから手順を開始す
ることによって得られた。サンプルはそれから、回りが
深く削られた平頂丘（mesa）が得られるまで、１：１：
１０の ＨＢｒ：ＨＮＯ3：Ｈ2Ｏ の熟成溶液でエッチン
グされた。
ィ（optical lithography） 及び湿式化学エッチング
（wet chemical etching）によって実現された。概略の
扁平四極型変形形状は、矩形で接続された２個の半円形
で構成されたホトレジスト・パターンから手順を開始す
ることによって得られた。サンプルはそれから、回りが
深く削られた平頂丘（mesa）が得られるまで、１：１：
１０の ＨＢｒ：ＨＮＯ3：Ｈ2Ｏ の熟成溶液でエッチン
グされた。
【００５１】エッチング溶液の円滑化作用（smoothing
action）により、各エッチングマスクの直線部分が、図
１（Ｂ）に示すようなディスク状の本体１２の四極型形
状を呈する湾曲部分へ曲げられる。ホトリソグラフ・プ
ロセス及びエッチング・プロセスを制御して、０から約
０.２ までの範囲の変形パラメータを有するレーザを各
０.０２ 毎の１０段階で形成できるようにした。
action）により、各エッチングマスクの直線部分が、図
１（Ｂ）に示すようなディスク状の本体１２の四極型形
状を呈する湾曲部分へ曲げられる。ホトリソグラフ・プ
ロセス及びエッチング・プロセスを制御して、０から約
０.２ までの範囲の変形パラメータを有するレーザを各
０.０２ 毎の１０段階で形成できるようにした。
【００５２】このようなレーザの全てについて、ディス
ク形の本体の高さ（すなわち、ＭＢＥ層の合計厚さ）は
約５.４μｍ で、その長軸及び短軸方向の長さは、下に
述べるように変動する値であった。
ク形の本体の高さ（すなわち、ＭＢＥ層の合計厚さ）は
約５.４μｍ で、その長軸及び短軸方向の長さは、下に
述べるように変動する値であった。
【００５３】電極１６（非合金Ｔｉ／Ａｕ）及び電極１
８（非合金Ｇｅ／Ａｕ／Ａｇ／Ａｕ）はレーザへのオー
ム抵抗を含む接点（ohmic contacts）を形成した。
８（非合金Ｇｅ／Ａｕ／Ａｇ／Ａｕ）はレーザへのオー
ム抵抗を含む接点（ohmic contacts）を形成した。
【００５４】［実験手順］数セットのサンプルが製作さ
れた。上記のように、変形パラメータは０から０.２ ま
で１０段階で変化させた。計量して寸法依存効果を除去
するために、２個の異なる寸法の共振器について調査を
行った。１個の共振器においては、短径は約５０μｍで
長径は５０μｍ（ε＝０）から８０μｍ（ε≒０.２）
まで変動し、他方の共振器では、短径は約３０μｍで、
長径は３０μｍから５０μｍまで変動した。
れた。上記のように、変形パラメータは０から０.２ ま
で１０段階で変化させた。計量して寸法依存効果を除去
するために、２個の異なる寸法の共振器について調査を
行った。１個の共振器においては、短径は約５０μｍで
長径は５０μｍ（ε＝０）から８０μｍ（ε≒０.２）
まで変動し、他方の共振器では、短径は約３０μｍで、
長径は３０μｍから５０μｍまで変動した。
【００５５】扁平四極型変形による指向性の他にシステ
ムに余分な指向性が入り込むことのないように、上部電
極１６のへりは、ディスク状の本体１２の縁から、同じ
短径を有する全てのレーザについて、角度φで表す全て
の方向に本質的に同じ距離を保つようにした。加えて、
レーザの実験の際、レーザの主軸を半導体の結晶の主軸
方向に対して０゜、４５゜及び９０゜とした。最後に、
製作プロセス手法を工夫して、表面が、表面粗さ散乱の
明らかな原因を生じさせないように滑らかにした。
ムに余分な指向性が入り込むことのないように、上部電
極１６のへりは、ディスク状の本体１２の縁から、同じ
短径を有する全てのレーザについて、角度φで表す全て
の方向に本質的に同じ距離を保つようにした。加えて、
レーザの実験の際、レーザの主軸を半導体の結晶の主軸
方向に対して０゜、４５゜及び９０゜とした。最後に、
製作プロセス手法を工夫して、表面が、表面粗さ散乱の
明らかな原因を生じさせないように滑らかにした。
【００５６】計測を行う際、レーザの駆動は電流パルス
（持続時間約５０ｎｍ、繰り返し速さ約４０Ｈｚ）によ
り行い、光出力の計測には、冷却式ＨｇＣｄＴｅ検出器
と周知のロックイン手法とを用いた。パワー出力を改善
して過剰な電流加熱を避けるため、計測はヒートシンク
温度４０゜Ｋ〜１００゜Ｋにおいて行った。それにもか
かわらず、レーザの最大パルス動作温度は、２７０゜Ｋ
であった。スペクトル特性は、フーリエ変換赤外線スペ
クトル計（Fourier transform infrared spectromete
r）（FTIR） を用いて計測した。
（持続時間約５０ｎｍ、繰り返し速さ約４０Ｈｚ）によ
り行い、光出力の計測には、冷却式ＨｇＣｄＴｅ検出器
と周知のロックイン手法とを用いた。パワー出力を改善
して過剰な電流加熱を避けるため、計測はヒートシンク
温度４０゜Ｋ〜１００゜Ｋにおいて行った。それにもか
かわらず、レーザの最大パルス動作温度は、２７０゜Ｋ
であった。スペクトル特性は、フーリエ変換赤外線スペ
クトル計（Fourier transform infrared spectromete
r）（FTIR） を用いて計測した。
【００５７】レーザは、その対称性に基づき、２次元レ
ーザ平面のすべての象限内へ発光した。レーザ光は適切
な開口内へ収集された。その中心角は、遠距離電界パタ
ーンを補足するために変化させた。屈折により少量の光
が共振器平面に垂直に漏出し、垂直方向に集積計測され
た。前に定義した極座標系を用いると、φ＝９０゜は共
振器の短軸方向を、φ＝０゜は長軸方向を示す。したが
って、φ＝０゜で得た計測値は検出器又は収集器が変形
共振器の最高曲率の１点を向いていたことを意味する。
ーザ平面のすべての象限内へ発光した。レーザ光は適切
な開口内へ収集された。その中心角は、遠距離電界パタ
ーンを補足するために変化させた。屈折により少量の光
が共振器平面に垂直に漏出し、垂直方向に集積計測され
た。前に定義した極座標系を用いると、φ＝９０゜は共
振器の短軸方向を、φ＝０゜は長軸方向を示す。したが
って、φ＝０゜で得た計測値は検出器又は収集器が変形
共振器の最高曲率の１点を向いていたことを意味する。
【００５８】［結果］本発明に基づいて変形された筒形
共振器を有する量子カスケード・レーザは、出力パワー
及び指向性の両方について劇的な増大を示した。図２
に、出力パワーの解析の結果を集約した。図２の挿入図
に示すように、驚くべき結果として、収集された光パワ
ーが、変形が増大すると共に強い（準指数関数的な（qu
asi-exponential）） 増大を示した。
共振器を有する量子カスケード・レーザは、出力パワー
及び指向性の両方について劇的な増大を示した。図２
に、出力パワーの解析の結果を集約した。図２の挿入図
に示すように、驚くべき結果として、収集された光パワ
ーが、変形が増大すると共に強い（準指数関数的な（qu
asi-exponential）） 増大を示した。
【００５９】考慮対象とした最大変形（ε≒０.２） に
おいて、約φ＝０゜の狭い開口に光を収集した場合に、
円形形状の共振器のレーザに対して５０倍のパワー増大
が観測された。強力に構築した遠距離電界パターンを利
用することにより、収集パターンの一層の増大が得られ
た。
おいて、約φ＝０゜の狭い開口に光を収集した場合に、
円形形状の共振器のレーザに対して５０倍のパワー増大
が観測された。強力に構築した遠距離電界パターンを利
用することにより、収集パターンの一層の増大が得られ
た。
【００６０】絶対パワーも比較的高変形度のレーザの幾
つかについて計測した。ε≒０.２のレーザから得られ
た一例を図２の主グラフに示す。約１０ｍＷのピーク出
力パワーが得られた。この値は、共振器が変形されなか
ったレーザ、又は従来技術の円形量子カスケード、マイ
クロシリンダ形レーザ、から得られる値をほぼ３桁分を
超える程度に上回る値である。例えば、上記の文献（J.
Faist et al., Appl.Phys. Lett.）及び（C. Gmachl e
t al., IEEE J. Quantum Electron.） を参照された
い。
つかについて計測した。ε≒０.２のレーザから得られ
た一例を図２の主グラフに示す。約１０ｍＷのピーク出
力パワーが得られた。この値は、共振器が変形されなか
ったレーザ、又は従来技術の円形量子カスケード、マイ
クロシリンダ形レーザ、から得られる値をほぼ３桁分を
超える程度に上回る値である。例えば、上記の文献（J.
Faist et al., Appl.Phys. Lett.）及び（C. Gmachl e
t al., IEEE J. Quantum Electron.） を参照された
い。
【００６１】図２の挿入図に示すものと同様に、変形の
増大に応じて収集パワーの準指数関数的増大が、種々の
四極型変形形状及び寸法を有するレーザの数多くのセッ
トにおいて、収集開口の種々の向きについて計測され
た。したがって、パワー増大が、信頼性の高い一般的な
効果であると結論できる。他方、単位角度あたりの出力
パワーの増大は、変形による遠距離電界パターンの実際
の変動に緊密に関連する。
増大に応じて収集パワーの準指数関数的増大が、種々の
四極型変形形状及び寸法を有するレーザの数多くのセッ
トにおいて、収集開口の種々の向きについて計測され
た。したがって、パワー増大が、信頼性の高い一般的な
効果であると結論できる。他方、単位角度あたりの出力
パワーの増大は、変形による遠距離電界パターンの実際
の変動に緊密に関連する。
【００６２】実際には、本発明のレーザにおいて、変形
に伴うパワー増大は、異なる範囲の変形パラメータでの
異なる種類のモードの発光から得られる結果である。発
明者は、中間の変形（ε≒０.１２） において、ＷＧモ
ードを介しての発光（小さい方の変形で支配的）からボ
ウタイ形モードからの発光 （ε≒０.１０）より下では
存在しないが大きい方の変形で支配的）への切り替わり
を発見した。
に伴うパワー増大は、異なる範囲の変形パラメータでの
異なる種類のモードの発光から得られる結果である。発
明者は、中間の変形（ε≒０.１２） において、ＷＧモ
ードを介しての発光（小さい方の変形で支配的）からボ
ウタイ形モードからの発光 （ε≒０.１０）より下では
存在しないが大きい方の変形で支配的）への切り替わり
を発見した。
【００６３】出力パワーの急激な増大に加えて、本発明
に基づく変形共振器を有するレーザは又図３及び図５に
示す遠距離電界の計測値で実証されるように、強い指向
性を示す。他方、円筒形共振器のレーザは、その発光出
力に指向性が示されない。
に基づく変形共振器を有するレーザは又図３及び図５に
示す遠距離電界の計測値で実証されるように、強い指向
性を示す。他方、円筒形共振器のレーザは、その発光出
力に指向性が示されない。
【００６４】比較的小さい変形（ほぼε≦０.１２） に
おいて、遠距離電界が弱くしか構築されておらず、長軸
方向に比べて短軸方向に発光が増大する。図３は、φ＝
０゜φ＝９０゜のあたりで収集された光について、出力
パワーがεの増加と共に増大することを示す。両方の曲
線とも、上記のように指数関数的に上昇するが、φ＝９
０゜の事例ではより早く上昇する。この指数関数曲線
は、φ＝０゜の事例に比べて約２倍早く上昇する。
おいて、遠距離電界が弱くしか構築されておらず、長軸
方向に比べて短軸方向に発光が増大する。図３は、φ＝
０゜φ＝９０゜のあたりで収集された光について、出力
パワーがεの増加と共に増大することを示す。両方の曲
線とも、上記のように指数関数的に上昇するが、φ＝９
０゜の事例ではより早く上昇する。この指数関数曲線
は、φ＝０゜の事例に比べて約２倍早く上昇する。
【００６５】この挙動は、共振器が変形されるにつれ
て、ＷＧモードの高反射率がそがれることと一致する。
すなわち、発光ＷＧモードに連関する光線が進行するに
つれて、視射屈折角（最大曲率点における接線方向で）
での発光に対応する位置（φ＝０゜、１８０゜又はその
近く）において、全内反射の臨界角よりも小さい角度で
入射する可能性が最も高い。
て、ＷＧモードの高反射率がそがれることと一致する。
すなわち、発光ＷＧモードに連関する光線が進行するに
つれて、視射屈折角（最大曲率点における接線方向で）
での発光に対応する位置（φ＝０゜、１８０゜又はその
近く）において、全内反射の臨界角よりも小さい角度で
入射する可能性が最も高い。
【００６６】したがって、遠距離電界でφ＝９０゜にお
いて高出力が強化されることが期待される。図４は、ε
≒０.０６ で変形された共振器におけるＷＧモードに対
する光強度パターン（電界について二乗した係数（modu
lus squared of the electric field）） の計算値を示
す。カオス的光線ダイナミックスモデルを本事例に適用
することで、φ＝９０゜での発光強化が確認される。
いて高出力が強化されることが期待される。図４は、ε
≒０.０６ で変形された共振器におけるＷＧモードに対
する光強度パターン（電界について二乗した係数（modu
lus squared of the electric field）） の計算値を示
す。カオス的光線ダイナミックスモデルを本事例に適用
することで、φ＝９０゜での発光強化が確認される。
【００６７】本発明に基づく大きい方の変形（ほぼε≧
０.１４） において、異なった種類の、そしてむしろよ
り強い指向性の到来が検出された。図５は、円形共振器
を有する１個のレーザと、ほぼ四極型変形の共振器を有
する２個のレーザとの、実際の、角度的に解像された遠
距離電界パターン（１象限）を示す。
０.１４） において、異なった種類の、そしてむしろよ
り強い指向性の到来が検出された。図５は、円形共振器
を有する１個のレーザと、ほぼ四極型変形の共振器を有
する２個のレーザとの、実際の、角度的に解像された遠
距離電界パターン（１象限）を示す。
【００６８】本発明のレーザは、φ＝０゜の発光角に比
べてφ＝４２゜の発光角内へのパワーが３０倍まで増大
することを示した。指向性発光の角度幅は、約２３゜で
あった。φ＝０゜あたりで、明確な最少発光点とφ＝９
０゜に向かっての円滑な傾斜高原部が観測された。
べてφ＝４２゜の発光角内へのパワーが３０倍まで増大
することを示した。指向性発光の角度幅は、約２３゜で
あった。φ＝０゜あたりで、明確な最少発光点とφ＝９
０゜に向かっての円滑な傾斜高原部が観測された。
【００６９】これらの比較的大きな変形において、全般
的な光線の動作は、大抵の位相空間において、高度にカ
オス的である。したがって、指向性発光を生成するため
のシナリオで可能性のあるシナリオは、発光モードが、
ポアンカレーの区分表面（Poincare surface of sectio
n (SOS)） （図示しない）に示されるような、まだ残存
している安定した規則的運動を行う小領域に連関すると
いうシナリオである。
的な光線の動作は、大抵の位相空間において、高度にカ
オス的である。したがって、指向性発光を生成するため
のシナリオで可能性のあるシナリオは、発光モードが、
ポアンカレーの区分表面（Poincare surface of sectio
n (SOS)） （図示しない）に示されるような、まだ残存
している安定した規則的運動を行う小領域に連関すると
いうシナリオである。
【００７０】検討対象の変形範囲（ほぼ ０.１２≦ε≦
０.２） について、このような小領域が２個だけ存在す
る。第１の小領域は、共振器の短軸に沿って走る直径軌
道（diametral orbit） に基づく。連関するモードは、
安定した、湾曲ミラー・ファブリ-ペロー共振器（curve
d mirror Fabry-Perot resonator） の横（transvers
e）モードである。しかし、これらのモードは、境界へ
の直角入射に対応し、したがって、発明者の観測と大い
に対照的に、遠距離電界におけるφ＝９０゜でのピーク
発光に至ることになる。
０.２） について、このような小領域が２個だけ存在す
る。第１の小領域は、共振器の短軸に沿って走る直径軌
道（diametral orbit） に基づく。連関するモードは、
安定した、湾曲ミラー・ファブリ-ペロー共振器（curve
d mirror Fabry-Perot resonator） の横（transvers
e）モードである。しかし、これらのモードは、境界へ
の直角入射に対応し、したがって、発明者の観測と大い
に対照的に、遠距離電界におけるφ＝９０゜でのピーク
発光に至ることになる。
【００７１】更に、垂直入射での境界の低反射率が、短
径が短いことと結合して（したがって、比例して、利得
がより低いため）、結果としてしきい値が高すぎてレー
ザ発光ができない。
径が短いことと結合して（したがって、比例して、利得
がより低いため）、結果としてしきい値が高すぎてレー
ザ発光ができない。
【００７２】第２の小領域は、ボウタイ形の形状を有す
る安定した、４回反発（bounce）の周期的軌道の近くに
ある（図８）。このモードについての光強度パターンの
計算値を図６に示す。このモードの軌道は、約ε＝０.
１０ における直径軌道からの分岐によって実現し、共
振器の境界上に絶対値の等しい４種類の入射角χを有す
る。
る安定した、４回反発（bounce）の周期的軌道の近くに
ある（図８）。このモードについての光強度パターンの
計算値を図６に示す。このモードの軌道は、約ε＝０.
１０ における直径軌道からの分岐によって実現し、共
振器の境界上に絶対値の等しい４種類の入射角χを有す
る。
【００７３】ε≒０.１２ において、この角度は約１
２.５゜ で、全内反射の臨界角（χc＝１７.５）よりも
かなり小さいが、変形がε≒０.１５ へ増大するにつ
れ、この角度はほぼ臨界角へと増大する。その結果とし
て、境界は、レーザ発光を可能にする程度に十分高い反
射率を有する。
２.５゜ で、全内反射の臨界角（χc＝１７.５）よりも
かなり小さいが、変形がε≒０.１５ へ増大するにつ
れ、この角度はほぼ臨界角へと増大する。その結果とし
て、境界は、レーザ発光を可能にする程度に十分高い反
射率を有する。
【００７４】具体的には、 ε＝０.１２５、 ０.１４、
及び０.１５ について、反射率０.４５、０.６０、及び
０.７６ がそれぞれ計算された。実際、変形に伴う反射
率の増大は、レーザ発光のしきい値の減少を導くと考え
られる。発明者は、５ｋＡ／ｃｍ2（ε＝０.１２ ） か
ら ３.９ｋＡ／ｃｍ2（ε≒０.２ ） へのしきい値減少
を観測した。レーザ発光のしきい値のこのような減少
（約３０％）は又、比較的大きな変形についての最大ピ
ーク出力パワーの増大の原因である（図２の挿入図参
照）。
及び０.１５ について、反射率０.４５、０.６０、及び
０.７６ がそれぞれ計算された。実際、変形に伴う反射
率の増大は、レーザ発光のしきい値の減少を導くと考え
られる。発明者は、５ｋＡ／ｃｍ2（ε＝０.１２ ） か
ら ３.９ｋＡ／ｃｍ2（ε≒０.２ ） へのしきい値減少
を観測した。レーザ発光のしきい値のこのような減少
（約３０％）は又、比較的大きな変形についての最大ピ
ーク出力パワーの増大の原因である（図２の挿入図参
照）。
【００７５】尚又、レーザ発光しきい値の減少の、量子
カスケード・レーザの全体性能に対する肯定的な影響
は、反射率増大に伴う出力結合効率の減少よりも大き
い。
カスケード・レーザの全体性能に対する肯定的な影響
は、反射率増大に伴う出力結合効率の減少よりも大き
い。
【００７６】ボウタイ形モードに対応する波動方程式の
数値解から、図６に示す光強度パターンが得られる。こ
のような共振の、強力パターンをを実験的な開口に基づ
き遠距離電界で平均化した結果、図５に示すように、実
験的遠距離電指向性と理論的遠距離電界指向性との間に
非常によい一致がみられた。これらの結果と、下に述べ
るスペクトル特性とから、比較的大きい変形におけるレ
ーザ発光がこれらの構造に新たに発見されたボウタイ形
モードから発起する、との結論が得られた。
数値解から、図６に示す光強度パターンが得られる。こ
のような共振の、強力パターンをを実験的な開口に基づ
き遠距離電界で平均化した結果、図５に示すように、実
験的遠距離電指向性と理論的遠距離電界指向性との間に
非常によい一致がみられた。これらの結果と、下に述べ
るスペクトル特性とから、比較的大きい変形におけるレ
ーザ発光がこれらの構造に新たに発見されたボウタイ形
モードから発起する、との結論が得られた。
【００７７】しかし、ボウタイ形の軌道は、秤動運動に
おいて短軸の回りに動く（ＷＧモードの回転運動と対照
的）いくつもの軌道の単なる一例に過ぎない。他の秤動
モードには、例えば、図８（Ｃ）のＶ形モードがある。
おいて短軸の回りに動く（ＷＧモードの回転運動と対照
的）いくつもの軌道の単なる一例に過ぎない。他の秤動
モードには、例えば、図８（Ｃ）のＶ形モードがある。
【００７８】本発明のレーザにおける出力パワー及び指
向性の増大の他に、変形の増大は又レーザのスペクトル
特性に与え、これにより異なる種類の遠距離電パターン
において明白に明示される２個の異なるモード形式が存
在することが確認できる。
向性の増大の他に、変形の増大は又レーザのスペクトル
特性に与え、これにより異なる種類の遠距離電パターン
において明白に明示される２個の異なるモード形式が存
在することが確認できる。
【００７９】特徴的なスペクトルを図３及び図５の挿入
図に示す。比較的低い変形度において、データは、複雑
で濃密なモードスペクトルを示し、これはいくつものＷ
Ｇモードのレーザ発光と解釈できる。加えて、レーザ
は、レーザ発光しきい値から始まる多モードであって、
モード間隔は近接値のΔλ≧１５ｎｍで、最大光パワー
において、１０個までの殆ど等しい強さのモードを示し
ている。
図に示す。比較的低い変形度において、データは、複雑
で濃密なモードスペクトルを示し、これはいくつものＷ
Ｇモードのレーザ発光と解釈できる。加えて、レーザ
は、レーザ発光しきい値から始まる多モードであって、
モード間隔は近接値のΔλ≧１５ｎｍで、最大光パワー
において、１０個までの殆ど等しい強さのモードを示し
ている。
【００８０】比較的大きい変形において、本発明のレー
ザは、しきい値電流のほぼ２倍までは単一モードであり
（図７（Ａ））、最大パワーにおいて、多くても２個又
は３個の強力なモードを示した。スペクトル的に特徴の
ある２個のモード形式の切り替わりは、これも又ε≒
０.１２ あたりに生じた。
ザは、しきい値電流のほぼ２倍までは単一モードであり
（図７（Ａ））、最大パワーにおいて、多くても２個又
は３個の強力なモードを示した。スペクトル的に特徴の
ある２個のモード形式の切り替わりは、これも又ε≒
０.１２ あたりに生じた。
【００８１】変形度のより高い共振器の多モード挙動
（図５の左側挿入図に示すような弱い側モード（side m
odes）を含む）は、ボウタイ形モードからの発光と一致
している。このモード形式におけるスペクトルの対数目
盛での線図（図５の左側挿入図）からモード間隔Δλ＝
４０.４ｎｍ の６個の等間隔のモードが見出せる。予想
される理論値を、隣接モードがボウタイ形モードのモー
ドパスに沿って１波長だけ異なると仮定して計算した。
この計算から、モード間隔３９.５ｎｍ の値が得られ、
有効屈折率の不確定さを考慮すれば、実験値との優れた
一致がみられた。
（図５の左側挿入図に示すような弱い側モード（side m
odes）を含む）は、ボウタイ形モードからの発光と一致
している。このモード形式におけるスペクトルの対数目
盛での線図（図５の左側挿入図）からモード間隔Δλ＝
４０.４ｎｍ の６個の等間隔のモードが見出せる。予想
される理論値を、隣接モードがボウタイ形モードのモー
ドパスに沿って１波長だけ異なると仮定して計算した。
この計算から、モード間隔３９.５ｎｍ の値が得られ、
有効屈折率の不確定さを考慮すれば、実験値との優れた
一致がみられた。
【００８２】ボウタイ形モードは、共振器の短径（長さ
Ｌ）に沿った直径湾曲ミラー（diametral curved mirro
r）ファブリ-ペロー共振器の横モードに対して容易に区
別ができる。上記のように、ボウタイ形モードは、直径
モード（diametral mode）の周期倍増分岐（period-dou
bling bifurcation） から発起し、光パス長さのほぼ２
倍に至る。
Ｌ）に沿った直径湾曲ミラー（diametral curved mirro
r）ファブリ-ペロー共振器の横モードに対して容易に区
別ができる。上記のように、ボウタイ形モードは、直径
モード（diametral mode）の周期倍増分岐（period-dou
bling bifurcation） から発起し、光パス長さのほぼ２
倍に至る。
【００８３】こうして、ボウタイ形のスペクトルは標準
のファブリ-ペロー・モードに予想されるモード間隔の
ほぼ半分の間隔を示している。すなわち、後者はモード
間隔Δλ＝λ2／（２ｎＬ）≒８２ｎｍ を有し、これは
ボウタイ形モードの間隔４０ｎｍの約２倍である。
のファブリ-ペロー・モードに予想されるモード間隔の
ほぼ半分の間隔を示している。すなわち、後者はモード
間隔Δλ＝λ2／（２ｎＬ）≒８２ｎｍ を有し、これは
ボウタイ形モードの間隔４０ｎｍの約２倍である。
【００８４】集約すれば、この例は、ボウタイ形レーザ
発光モードをサポートするのに十分な変形である扁平四
極型変形共振器を有する半導体、マイクロシリンダ・レ
ーザが相当に改善されたパワー出力及び指向性を有する
ことを示している。望ましい方向の遠距離電界におい
て、三桁分までのパワー増大が得られた。
発光モードをサポートするのに十分な変形である扁平四
極型変形共振器を有する半導体、マイクロシリンダ・レ
ーザが相当に改善されたパワー出力及び指向性を有する
ことを示している。望ましい方向の遠距離電界におい
て、三桁分までのパワー増大が得られた。
【００８５】以上に述べた配置は、本発明の原理の適用
を示すために考え得る多くの具体的実施例の単なる例示
に過ぎず、この技術分野の当業者であれば、本発明の種
々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技
術的範囲に包含される。
を示すために考え得る多くの具体的実施例の単なる例示
に過ぎず、この技術分野の当業者であれば、本発明の種
々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技
術的範囲に包含される。
【００８６】特に、上記の実施例はディスク状のレーザ
について述べたが、用語「マイクロシリンダ」（micro-
cylinder）は、これらの記述に制約されるものではな
く、広い変動範囲のアスペクト比（aspect ratio）すな
わち、比較的小さい直径を有し厚さの比較的薄い形状
も、又同様に、大きい直径を有し厚さが厚いものも含
む。
について述べたが、用語「マイクロシリンダ」（micro-
cylinder）は、これらの記述に制約されるものではな
く、広い変動範囲のアスペクト比（aspect ratio）すな
わち、比較的小さい直径を有し厚さの比較的薄い形状
も、又同様に、大きい直径を有し厚さが厚いものも含
む。
【００８７】加えて、本発明は又、図９に示す修正型ス
タジアム（陸上競技場）形状を有するマイクロシリンダ
形共振器を含む。すなわち、本質的に平行な側部２０.
１ を有する中央部分２０とその両端部にある円形部と
からなり、この円形部は、完全な半円ではなく、すなわ
ち各円形部が１８０度未満の角度に対応するような円形
部である。
タジアム（陸上競技場）形状を有するマイクロシリンダ
形共振器を含む。すなわち、本質的に平行な側部２０.
１ を有する中央部分２０とその両端部にある円形部と
からなり、この円形部は、完全な半円ではなく、すなわ
ち各円形部が１８０度未満の角度に対応するような円形
部である。
【００８８】この共振器の寸法（平行な側部の長さ及び
間隔、円形部の半径Ｒ及び角度α）は、本発明の他の実
施例と同様に、秤動モードをサポートするこれら形状構
成を特定するためにポアンカレーの区分表面解析（Poin
care surface of section analysis）によって定められ
る。
間隔、円形部の半径Ｒ及び角度α）は、本発明の他の実
施例と同様に、秤動モードをサポートするこれら形状構
成を特定するためにポアンカレーの区分表面解析（Poin
care surface of section analysis）によって定められ
る。
【００８９】尚、特許請求の範囲に記載した参照番号は
発明の容易な理解のためで、その技術的範囲を制限する
よう解釈されるべきではない。
発明の容易な理解のためで、その技術的範囲を制限する
よう解釈されるべきではない。
【００９０】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、扁
平四極型等の適切な変形を加えた筒形共振器を用いて、
秤動モードでのレーザ発光が可能となるように構成した
ので、従来の技術に比べ出力パワーと出力ビームの指向
性とがはるかに増大した固体マイクロシリンダ形レーザ
装置が得られる。
平四極型等の適切な変形を加えた筒形共振器を用いて、
秤動モードでのレーザ発光が可能となるように構成した
ので、従来の技術に比べ出力パワーと出力ビームの指向
性とがはるかに増大した固体マイクロシリンダ形レーザ
装置が得られる。
【図１】本発明の一実施例に基づき共振器が円形形状か
ら変形されている量子カスケード・マイクロシリンダ形
レーザの説明図で、（Ａ）は概略側面図を又（Ｂ）は概
略上面図をそれぞれ示す。
ら変形されている量子カスケード・マイクロシリンダ形
レーザの説明図で、（Ａ）は概略側面図を又（Ｂ）は概
略上面図をそれぞれ示す。
【図２】図２の主たるグラフは、図１に示す種類のレー
ザであって、変形パラメータをほぼε＝０.２ とした扁
平四極型変形の共振器を有するようなレーザ、について
の光出力パワーとポンピング（励起）電流との関係を示
すグラフである。光は、前に述べた極座標系においてφ
＝＋４０゜からφ＝＋１００゜間での角度範囲にわたっ
ての総和を求めることによって収集された。電流値４０
０ｍＡあたりのグラフの折れ曲がりは、第２のレーザ発
光モードの開始を表す。計測は１００゜Ｋのヒートシン
ク温度で行われたが、レーザの試験（パルス動作）は最
高２７０゜Ｋまでの温度で行われた。図２中の挿入図
は、最大（ピーク）出力パワーと変形パラメータεとの
関係を示すグラフである。コレクタ（収集器）は開口幅
１５゜で、φ＝０゜を中心とした。グラフ中、黒丸及び
白角は２組の独立した、しかし類似のレーザからのデー
タ点を表す。出力は、それぞれについての円筒形レーザ
の場合の出力へ正規化された。変形パラメータが増大す
るにつれてピーク出力が増大した。同時に、レーザ発光
しきい値電流密度の約７ｋＡ／ｃｍ2 から約４ｋＡ／ｃ
ｍ2 への減少が計測された。データは、ピーク出力が５
０倍も増大することを示す。これは、図３（Ｃ）の３
０：１の正規化を考慮した場合に、１０００倍を超える
増大に読み替えられ、検出角がほぼφ＝４５゜の位置に
回転される。
ザであって、変形パラメータをほぼε＝０.２ とした扁
平四極型変形の共振器を有するようなレーザ、について
の光出力パワーとポンピング（励起）電流との関係を示
すグラフである。光は、前に述べた極座標系においてφ
＝＋４０゜からφ＝＋１００゜間での角度範囲にわたっ
ての総和を求めることによって収集された。電流値４０
０ｍＡあたりのグラフの折れ曲がりは、第２のレーザ発
光モードの開始を表す。計測は１００゜Ｋのヒートシン
ク温度で行われたが、レーザの試験（パルス動作）は最
高２７０゜Ｋまでの温度で行われた。図２中の挿入図
は、最大（ピーク）出力パワーと変形パラメータεとの
関係を示すグラフである。コレクタ（収集器）は開口幅
１５゜で、φ＝０゜を中心とした。グラフ中、黒丸及び
白角は２組の独立した、しかし類似のレーザからのデー
タ点を表す。出力は、それぞれについての円筒形レーザ
の場合の出力へ正規化された。変形パラメータが増大す
るにつれてピーク出力が増大した。同時に、レーザ発光
しきい値電流密度の約７ｋＡ／ｃｍ2 から約４ｋＡ／ｃ
ｍ2 への減少が計測された。データは、ピーク出力が５
０倍も増大することを示す。これは、図３（Ｃ）の３
０：１の正規化を考慮した場合に、１０００倍を超える
増大に読み替えられ、検出角がほぼφ＝４５゜の位置に
回転される。
【図３】図３の主たるグラフは、比較的低い変形パラメ
ータ（ε≦０.１１） を有するレーザの、最大出力パワ
ーと変形パラメータεとの関係を示すグラフである。こ
れらのレーザの動作が行われたモードは、ＷＧモードで
あって、秤動モードではなかった。実験設定において、
コレクタは、固定開口幅１５゜で、φ＝９０゜（図中黒
角及び黒丸のデータ）及びφ＝０゜（図中白角及び白丸
のデータ点）に位置させた。グラフ中、丸及び角は、開
口の各向きに対する２組の独立した、しかし類似のレー
ザからのデータを表す。両曲線は、破線で示すようにほ
ぼ指数関数的に上昇する。図３中の左側挿入図は、低い
変形パラメータ（例えば、ε≒０.０６） を有するレー
ザからレーザしきい値に近接して得られたスペクトルを
線形尺度で表す。スペクトルのモード間隔がΔλ≧１５
ｎｍと近接しているのは、何種類ものＷＧモードのレー
ザ発光に起因する。表示される線幅は、実験設定とデー
タ取得システムとにより制限される。図３中の右側挿入
図は、これらのレーザのＷＧモードを略図で表したもの
である。
ータ（ε≦０.１１） を有するレーザの、最大出力パワ
ーと変形パラメータεとの関係を示すグラフである。こ
れらのレーザの動作が行われたモードは、ＷＧモードで
あって、秤動モードではなかった。実験設定において、
コレクタは、固定開口幅１５゜で、φ＝９０゜（図中黒
角及び黒丸のデータ）及びφ＝０゜（図中白角及び白丸
のデータ点）に位置させた。グラフ中、丸及び角は、開
口の各向きに対する２組の独立した、しかし類似のレー
ザからのデータを表す。両曲線は、破線で示すようにほ
ぼ指数関数的に上昇する。図３中の左側挿入図は、低い
変形パラメータ（例えば、ε≒０.０６） を有するレー
ザからレーザしきい値に近接して得られたスペクトルを
線形尺度で表す。スペクトルのモード間隔がΔλ≧１５
ｎｍと近接しているのは、何種類ものＷＧモードのレー
ザ発光に起因する。表示される線幅は、実験設定とデー
タ取得システムとにより制限される。図３中の右側挿入
図は、これらのレーザのＷＧモードを略図で表したもの
である。
【図４】低い変形パラメータ（例えば、ε≒０.０６）
を有するレーザについての例示ＷＧモードレーザ光強度
パターンの計算結果（Ｍａｘｗｅｌｌの波動方程式の数
値解から得た）を表す説明図である。
を有するレーザについての例示ＷＧモードレーザ光強度
パターンの計算結果（Ｍａｘｗｅｌｌの波動方程式の数
値解から得た）を表す説明図である。
【図５】図５の主たるグラフは、円形共振器を有する１
個のレーザのデータ（三角のデータ点）と、それぞれ変
形パラメータε＝０.１４ 及びε＝０.１６、 によって
変形された共振器を有する２個のレーザのデータ（前者
は黒角のデータ点、後者は黒丸のデータ点）とを、角度
的に解像された遠距離電界パターン （far-fieldpatter
n）（一象限）の計測値で示す説明グラフである。デー
タは、φ＝０゜の場合の出力へ正規化され、高指向性の
発光と、遠距離電界におけるパワー出力（単位角度あた
り）の最高３０倍までの増大とが示された。図５中の左
側挿入図は、変形パラメータε≒０.１６ を有するレー
ザの最大パワーにおけるスペクトル計測値（パワーＰと
波長λとの関係）を対数で表したグラフであり、モード
間隔がΔλ＝４０.４ｎｍ の６個の等間隔のモードが観
測された。このモード分離状態は、図６の強度パターン
に対応するボウタイ形モードについての計算で得られた
値３９.５ｎｍ によく合致する。図５中の右側挿入図
は、比較的高い変形（例えば、ほぼε≧０.１２） を有
するレーザについてのボウタイ形モードの発光強度パタ
ーンを略図で表したものである。
個のレーザのデータ（三角のデータ点）と、それぞれ変
形パラメータε＝０.１４ 及びε＝０.１６、 によって
変形された共振器を有する２個のレーザのデータ（前者
は黒角のデータ点、後者は黒丸のデータ点）とを、角度
的に解像された遠距離電界パターン （far-fieldpatter
n）（一象限）の計測値で示す説明グラフである。デー
タは、φ＝０゜の場合の出力へ正規化され、高指向性の
発光と、遠距離電界におけるパワー出力（単位角度あた
り）の最高３０倍までの増大とが示された。図５中の左
側挿入図は、変形パラメータε≒０.１６ を有するレー
ザの最大パワーにおけるスペクトル計測値（パワーＰと
波長λとの関係）を対数で表したグラフであり、モード
間隔がΔλ＝４０.４ｎｍ の６個の等間隔のモードが観
測された。このモード分離状態は、図６の強度パターン
に対応するボウタイ形モードについての計算で得られた
値３９.５ｎｍ によく合致する。図５中の右側挿入図
は、比較的高い変形（例えば、ほぼε≧０.１２） を有
するレーザについてのボウタイ形モードの発光強度パタ
ーンを略図で表したものである。
【図６】比較的高い変形パラメータε＝０.１５ を有す
るレーザについてのボウタイ形モードの発光強度パター
ンの計算結果を表す説明図である。
るレーザについてのボウタイ形モードの発光強度パター
ンの計算結果を表す説明図である。
【図７】円筒形共振器を有するマイクロディスク形量子
カスケードレーザのスペクトル図（図７（Ｂ）に示す）
と、本発明の一実施例に基づく扁平四極型共振器（変形
パラメータε≒０.１６） を有するマイクロシリンダ形
量子カスケードレーザのスペクトル図（図７（Ａ）に示
す）とを比較するための説明図である。両レーザ共、中
心周波数は約５.１４μｍ であった。図のデータから、
しきい値電流（１５０ｍＡ）においてさえも、円形共振
器のレーザでは長手（lomgitudinal）（又は軸）方向
（角方向（angular）） モード及び横方向（transversa
l） （半径方向（radial））モードからなる多数のモー
ドが現れた。他方、本発明に基づいて変形された扁平四
極型共振器のレーザは、しきい値のほぼ２倍の電流値に
おいて、スペクトル的にきれい（pure）であり（すなわ
ち、スペクトル密度が低減し）、ただ１個の軸モードだ
けが現れ、側モード抑制率（side mode suppression ra
tio） は２０ｄＢよりも大きい値を示した。
カスケードレーザのスペクトル図（図７（Ｂ）に示す）
と、本発明の一実施例に基づく扁平四極型共振器（変形
パラメータε≒０.１６） を有するマイクロシリンダ形
量子カスケードレーザのスペクトル図（図７（Ａ）に示
す）とを比較するための説明図である。両レーザ共、中
心周波数は約５.１４μｍ であった。図のデータから、
しきい値電流（１５０ｍＡ）においてさえも、円形共振
器のレーザでは長手（lomgitudinal）（又は軸）方向
（角方向（angular）） モード及び横方向（transversa
l） （半径方向（radial））モードからなる多数のモー
ドが現れた。他方、本発明に基づいて変形された扁平四
極型共振器のレーザは、しきい値のほぼ２倍の電流値に
おいて、スペクトル的にきれい（pure）であり（すなわ
ち、スペクトル密度が低減し）、ただ１個の軸モードだ
けが現れ、側モード抑制率（side mode suppression ra
tio） は２０ｄＢよりも大きい値を示した。
【図８】レーザ光線状態を説明する一連の略図で、図８
（Ａ）は変形パラメータε＝０のＷＧモード、図８
（Ｂ）は変形パラメータεが低い値のＷＧモード、図８
（Ｃ）及び（Ｄ）は変形度のより高い共振器によってサ
ポートされる秤動モードのうちＶ形モード及びボウタイ
形モード、における光線状態をそれぞれ表す。
（Ａ）は変形パラメータε＝０のＷＧモード、図８
（Ｂ）は変形パラメータεが低い値のＷＧモード、図８
（Ｃ）及び（Ｄ）は変形度のより高い共振器によってサ
ポートされる秤動モードのうちＶ形モード及びボウタイ
形モード、における光線状態をそれぞれ表す。
【図９】図９は、修正された競技場の形状を有する共振
器の上面図である。図の説明を明白且つ単純にするため
に、図１、図８及び図９は縮尺不揃い（not to scale）
で作成した。又、記号Ａは、物理的及び光学的寸法を説
明する際にはオングストロームを意味し、電流の場合に
はアンペアを意味する。
器の上面図である。図の説明を明白且つ単純にするため
に、図１、図８及び図９は縮尺不揃い（not to scale）
で作成した。又、記号Ａは、物理的及び光学的寸法を説
明する際にはオングストロームを意味し、電流の場合に
はアンペアを意味する。
【符号の説明】
１０ レーザ装置
１２ 本体
１２.１ 活性領域
１２.２ 上部クラッド領域
１２.３ 下部クラッド領域
１４ 受台
１６、１８ 電極
２０ 中央部分
２０.１ 側部
２２ 円形部
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(73)特許権者 599176012
マックス プランク ゲゼルシャフト
ツール フェルデルング デル ヴィッ
センシャフテン エー．ヴェー.
ドイツ連邦共和国 ミュンヘン Ｄ−
80539 ホフガルテンシュトラーセ ８
(74)上記２名の代理人 100081053
弁理士 三俣 弘文
(72)発明者 フェデリコ キャパッソ
アメリカ合衆国，07090 ニュージャー
ジー，ウェストフィールド，ウェストブ
ルック ロード 42
(72)発明者 アルフレッド イ チョー
アメリカ合衆国，07901 ニュージャー
ジー，サミット，ケネス コート 11
(72)発明者 ジェロム フェイスト
スイス，ニューチャテル，シーエイチ−
2000，フォーボーグ デュ ラック 31
(72)発明者 クレア エフ グマークル
アメリカ合衆国，07041 ニュージャー
ジー，ミルバーン，ミルバーン アベニ
ュー 190，アパートメント ４ディー
(72)発明者 エバジーニ イー ナリマノブ
アメリカ合衆国，06511 コネチカット,
ニューヘブン，プロスペクト ストリー
ト 406
(72)発明者 ジェンス ユー ノエッケル
ドイツ，01187 ドレスデン，135，ホー
ヘ ストラッセ
(72)発明者 デボラ リー シブッコ
アメリカ合衆国，07059 ニュージャー
ジー，ウェレン，プレインフィールド
アベニュー 16
(72)発明者 アルフレッド ダグラス ストーン
アメリカ合衆国，06473 コネチカット,
ノースヘブン，マルボロ ロード ５
(56)参考文献 特開 平２−49483（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−213180（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−134893（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−233780（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−100275（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−129700（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−260712（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−326516（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−124288（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−234085（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−61379（ＪＰ，Ａ)
特表 平10−510099（ＪＰ，Ａ)
Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，1996年，Ｖｏ
ｌ．21，Ｎｏ．19，ｐ．1609−1611
Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，1994年，Ｖｏ
ｌ．19，Ｎｏ．21，ｐ．1693−1695
Ｎａｔｕｒｅ，1997年，Ｖｏｌ．385,
ｐ．45−47
Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ．Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ．，1998年，Ｖｏｌ．34，Ｎｏ．２,
ｐ．336−342
Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ．Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ．，1997年，Ｖｏｌ．33，Ｎｏ．９,
ｐ．1567−1573
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，1996
年，Ｖｏｌ．69，Ｎｏ．17，ｐ．2456−
2458
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，1992
年，Ｖｏｌ．60，Ｎｏ．３，ｐ．289−
291
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01S 5/00 - 5/50
H01S 3/08
Claims (18)
- 【請求項１】 湾曲した境界を有する筒形共振器（１
２）と；該共振器内に位置するとともに、適切にポンピ
ングされたときに、誘導放出レーザ光を生成することが
可能な、固体の活性領域（１２.１） と；からなり、該
共振器の該境界の形状及び有効屈折率が互に適応させて
該誘導放出レーザ光の少なくとも１個の秤動モードをサ
ポートする、ようにしたことを特徴とする固体レーザ装
置（１０）。 - 【請求項２】 前記共振器が、ボウタイ形秤動モード及
びＶ形秤動モードからなるグループから選択される秤動
モードをサポートすることを特徴とする請求項１の装
置。 - 【請求項３】 前記共振器の前記有効屈折率が、ほぼ２
より大きいことを特徴とする請求項１の装置。 - 【請求項４】 前記共振器が、前記活性領域に隣接する
少なくとも１個のクラッド領域（１２.２、１２.３）を
有し、前記共振器の前記有効屈折率が、約３より大き
い、ことを特徴とする請求項３の装置。 - 【請求項５】 前記境界が、凸湾曲形の形状を有するこ
とを特徴とする請求項１の装置。 - 【請求項６】 前記共振器の前記境界が円形形状から、
四極型変形関数：r(φ)∝[１ + (ε/k)(cos２φ)]k、
（ここに、（r,φ）は極座標、εは変形パラメータ、ｋ
は四極型変形の種類を定める係数）、にほぼ応じて変形
されていることを特徴とする請求項１の装置。 - 【請求項７】 ｋ＝１であり、前記変形関数が単純な四
極型である、ことを特徴とする請求項６の装置。 - 【請求項８】 ｋ＜１であり、前記変形関数が扁平四極
型である、ことを特徴とする請求項６の装置。 - 【請求項９】 ｋ＞１であり、前記変形関数が膨出四極
型である、ことを特徴とする請求項６の装置。 - 【請求項１０】 前記活性領域が半導体材料からなるこ
とを特徴とする請求項１の装置。 - 【請求項１１】 前記活性領域がIII-Ｖ族化合物半導体
材料からなることを特徴とする請求項１０の装置。 - 【請求項１２】 前記活性領域が量子カスケード活性領
域からなることを特徴とする請求項１１の装置。 - 【請求項１３】 前記共振器の前記境界が円形形状か
ら、扁平四極型変形関数：r(φ)∝[１ + ２ε(cos２
φ)]1/2、（ここに、ε≧0.12）、にほぼ応じて変形さ
れていることを特徴とする請求項１の装置。 - 【請求項１４】 前記活性領域が多数の層のＩｎＧａＡ
ｓ及びＩｎＡｌＡｓからなることを特徴とする請求項１
３の装置。 - 【請求項１５】 前記共振器が、本質的に平行な側部
（２０.１） を有する中央部分（２０）と、該中央部分
の各端部にそれぞれ位置する、１８０度未満の角に対応
する円形部分（２２）とからなることを特徴とする請求
項１の装置。 - 【請求項１６】 １対のクラッド領域（１２.２、１２.
３）と、該クラッド領域の間に配置された量子カスケー
ド活性領域（１２.１） とを有する筒形で半導体の本体
（１２）からなり、少なくとも該活性領域が多数の層の
ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｌＡｓからなり、該本体の境界
が、凸湾曲形の形状であるとともに、該活性領域が適切
にポンピングされたときに誘導放出レーザ光の発光モー
ドをサポートすることが可能な空洞共振器、を形成し、 該共振器の該境界が円形形状から、扁平四極型変形関
数：r(φ)∝[１ + ２ε(cos２φ)]1/2、（ここに、ε≧
0.12）、にほぼ応じて変形されており、これにより該共
振器が少なくとも１個の秤動モードをサポートする、よ
うにしたことを特徴とする、半導体レーザ装置。 - 【請求項１７】 前記変形が、前記共振器が少なくとも
１個のボウタイ形秤動モードをサポートするのに十分な
変形、であることを特徴とする請求項１６の装置。 - 【請求項１８】 前記変形が、前記共振器が少なくとも
１個のＶ形秤動モードをサポートするのに十分な変形、
であることを特徴とする請求項１６の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/063,577 US6134257A (en) | 1998-04-21 | 1998-04-21 | Solid state laser for operation in librational modes |
| US09/063577 | 1998-04-21 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11330629A JPH11330629A (ja) | 1999-11-30 |
| JP3494918B2 true JP3494918B2 (ja) | 2004-02-09 |
Family
ID=22050137
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11280899A Expired - Lifetime JP3494918B2 (ja) | 1998-04-21 | 1999-04-20 | レーザ装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6134257A (ja) |
| EP (1) | EP0952641B1 (ja) |
| JP (1) | JP3494918B2 (ja) |
| DE (1) | DE69927201T2 (ja) |
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