JP3584450B2 - レーザー発振素子及びレーザー発振装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ダイヤモンドを用いた固体レーザー発振素子及び発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の光通信技術の著しい進歩に伴い、より長距離を、より大容量で伝送可能な光伝送技術が求められている。例えば、１本の光ファイバの中に複数の信号を同時に伝送する光多重通信技術や、光信号を、強度変調ではなく位相又は周波数変調によって発生させて伝送する高感度なコヒーレント光通信技術の開発が重要になりつつある。
【０００３】
このような状況においては、伝送される光信号の絶対波長（周波数）にも精度の高さが要求される。例えば、コヒーレント光周波数分割多重（光ＦＤＭ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ）伝送方式においては、５ＧＨｚ程度の周波数間隔で１０チャンネル以上の光信号を伝送する方式が提案されている。この方式に基づく光ＦＤＭ伝送実験の多くでは、基準となる一つの光源の絶対波長を安定化させ、更に他の光源の周波数を、基準光源との周波数間隔に関して一定にさせることにより、伝送周波数を安定化する。
【０００４】
このような伝送方式の光源として、各種の化合物半導体レーザが提案され、特にＧａＡｓまたはＩｎＰを基板としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザを中心に、半導体レーザーの実用化が進んでいる。しかし、半導体レーザーでは半導体のバンド発光を利用するため、電子の運動量に起因して発振波長が広がる傾向をもつこと、並びに、発振波長が温度に依存することが、周波数を安定させるための大きな障害となっている。
【０００５】
この問題に対して、エルビウム（Ｅｒ）やイッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類金属を活性層にドーピングした半導体レーザが検討されている。この希土類ドープの半導体レーザの代表例として、ＥｒをＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰダブルヘテロ構造の活性層にドーピングしたレーザー発振素子がＴｓａｎｇ らにより報告されている（Ｔｓａｎｇ，ｗ．ｔ．，ｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，４９（２５）， ｐｐ．１６８６−１６８８， ２２ Ｄｅｃ．１９８６；文献１） 。この半導体素子に電流注入を行うと、Ｅｒ^＋３の励起準位から基底準位への光学遷移が半導体素子内で支配的に起こり、レーザ発振を生ずる。
【０００６】
この他にも、Ｅｒ等の希土類をドープした半導体によるレーザー発振素子及びレーザー発振装置には、Ｓｉを基材として用いたもの（Ｒｏｇｅｒｓ，Ｊ．Ｌ．，ｅｔ．ａｌ．，Ｊｏｕｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａ １２（５），ｐｐ．２７６２−２７６６，Ｓｅｐ．／Ｏｃｔ． １９９４ ；文献２） 、ＧａＡｓ系ＩＩＩ−Ｖ族半導体を基材としたもの（Ｔａｋａｈｅｉ，Ｋ．，ｅｔ．ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，７６（７），ｐｐ．４３３２−４３３９，１ Ｏｃｔ． １９９４；文献３、特開昭６４−７４７８３；文献４、特開平３−２２７０９２；文献５） 、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族半導体（Ｃｈｏｙｋｅ，Ｗ．Ｊ．，ｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，６５（１３），ｐｐ．１６６８−１６７０，２６ Ｓｅｐｔ．１９９４；文献６） 、ＳｉＣ（Ｗｉｌｓｏｎ，Ｒ．Ｇ．，ｅｔ．ａｌ，ｉｂｉｄ，６５（８），ｐｐ．９９２−９９４，２２ Ａｕｇ． １９９４ ；文献７） 等が挙げられ、これらの他にも様々な試みが報告されている（例えば、特開平５−２９１６５５；文献８、特開平６−２１６４４６；文献９、特開平６−２１６４５５；文献１０、特開平６−２１９７７６；文献１１）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、しかし、Ｔｓａｎｇ ら（文献１）の半導体レーザー素子の動作はパルス発振にとどまっており、高い発光効率により、高い利得を得て連続発振するには至っていない。また、文献２、３、６、７に記載されるレーザー発振素子も、発光を確認するに留っており、これらレーザー発振素子を実用化するための提案はなされていない。更に、文献４、５、８〜１１に記載される半導体レーザーでは、機械的衝撃を受けた際等に生じる発振波長の変動の問題点に対して素子自体の改善はなされておらず、実用的なレーザー発振素子を提供するには至っていない。
【０００８】
従って、本発明の目的は、室温において連続発振可能で且つ発振周波数の安定したレーザ発振素子を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、小型で且つ信頼性の高い絶対波長レーザー発振装置を実用的なレベルで提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザー発振素子は、ダイヤモンドに、希土類金属原子又は希土類金属原子を含む化合物が添加されたドープダイヤモンドから成る発振部分を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のレーザー発振素子は、希土類金属原子が、ネオジム原子（Ｎｄ）と、サマリウム原子（Ｓｍ）と、ユウロピウム原子（Ｅｕ）と、イッテルビウム原子（Ｙｂ）とから成る群より選択される原子を含むことを特徴としてもよい。
【００１２】
また、本発明のレーザー発振素子は、希土類金属がエルビウム原子（Ｅｒ）を含むことを特徴としてもよい。
【００１３】
また、本発明のレーザー発振素子は、ドープダイヤモンド中におけるエルビウム原子（Ｅｒ）の濃度が、１ｐｐｍ〜５０，０００ｐｐｍの範囲にあることを特徴としてもよい。
【００１４】
また、本発明のレーザー発振素子は、ドープダイヤモンドが更に、１ｐｐｍ以上の濃度で窒素原子（Ｎ）を含有することを特徴としてもよく、且つ１ｐｐｍ以上の濃度でホウ素原子（Ｂ）を含んでいてもよい。
【００１５】
また、本発明のレーザー発振素子は、窒素原子（Ｎ）の濃度が１００ｐｐｍ〜５０，０００ｐｐｍの範囲にあることを特徴としてもよい。
【００１６】
また、本発明のレーザー発振素子は、ドープダイヤモンドが更に、１ｐｐｍ以上の濃度でホウ素原子（Ｂ）を含有することを特徴としてもよい。
【００１７】
また、本発明のレーザー発振素子は、ホウ素原子（Ｂ）の濃度が１００ｐｐｍ〜５０，０００ｐｐｍの範囲にあることを特徴としてもよい。
【００１８】
また、本発明のレーザー発振素子は、窒素原子の濃度が１００ｐｐｍ〜１００，０００ｐｐｍの範囲にあり、且つ、ホウ素原子の濃度が１００ｐｐｍ〜１００，０００ｐｐｍの範囲にあることを特徴としてもよい。
【００１９】
また、本発明のレーザー発振素子は、添加物を含まないダイヤモンドから成る層を更に備えることを特徴としてもよい。
【００２０】
また、本発明のレーザー発振素子は、発振部分が、発振部分から発せられる光を反射する膜を更に備えることを特徴としてもよい。
【００２１】
また、本発明のレーザー発振素子は、レーザー発振素子が、ｐｎ接合構造と、ショットキー接合構造と、ＭＩＳ構造とから成る群より選択される構造を内部に有し、且つ、電極を更に有することを特徴としてもよい。
【００２２】
本発明のレーザー発振装置は、ダイヤモンドに希土類金属原子又は希土類原子を含む化合物が添加されたドープダイヤモンドから成る発振部分を含む発振素子と、添加物を含まないダイヤモンドから成り、発振素子が装着される放熱部分とを備えることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明のレーザー発振装置は、放熱部分が、凹凸が形成された表面を有することを特徴としてもよい。
【００２４】
また、本発明のレーザー発振装置は、放熱部分が、１０００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することを特徴としてもよい。
【００２５】
また、本発明のレーザー発振装置は、発振素子に光学的に接続される第２の発振素子を更に備えることを特徴としてもよい。
【００２６】
また、本発明のレーザー発振装置は、発振素子が、ｐｎ接合構造と、ショットキー接合構造と、ＭＩＳ構造とから成る群より選択される構造を有し、且つ、電極を更に有することを特徴としてもよい。
【００２７】
【作用】
本発明のレーザ発振素子は、レーザ発振部分の基材として非常に硬質であるダイヤモンドを用いているため、機械的衝撃の際等に生じるレーザー発振素子自身の発振波長の変動の問題が著しく低減される。
【００２８】
また、本発明のレーザ発振素子の基材であるダイヤモンドは、そのバンドギャップが５．５ｅＶと大きいため、ダイヤモンドに注入されたキャリア又は照射された励起光が内部で自己消費されにくい。
【００２９】
また、本発明のレーザ発振素子の基材であるダイヤモンドは、その光学遷移が間接遷移であるため、注入されたキャリアあるいは照射された励起光が内部のバンド遷移による自己消費が生じにくい。また、ダイヤモンドの結晶格子は小さいため、この結晶格子を占める炭素原子と添加された希土類金属原子との相互作用は無視できる程度である。
【００３０】
更に、本発明のレーザ発振素子の基材であるダイヤモンドは、その熱伝導率が高いため、素子を過熱させることなく、発振させるためのキャリアを高密度でドープダイヤモンドに注入できる。
【００３１】
また、本発明のレーザー発振素子において、希土類金属原子ドープダイヤモンドが窒素原子を含有する態様では、この窒素原子が、希土類金属原子のダイヤモンド中でのイオン化を促進する。
【００３２】
また、本発明のレーザー発振素子において、希土類金属原子ドープダイヤモンドがホウ素（ボロン）原子を含有する態様では、このホウ素原子が、希土類金属原子のダイヤモンド中でのイオン化を促進する。
【００３３】
更に、本発明のレーザー発振素子において、希土類金属原子ドープダイヤモンドが窒素原子とホウ素原子とを共に含有する態様では、原子半径の大きな窒素と原子半径の小さなホウ素との間で相互にストレスの緩和が生じる。従って、ダイヤモンドの結晶性が損なわれずに高いレベルでドープを行うことが可能となる。また、窒素とホウ素は共に希土類金属原子のダイヤモンド中でのイオン化を促進する。
【００３４】
本発明のレーザー発振装置は、希土類金属がドープされたドープダイヤモンドから成る発振部分を備えるレーザー発振素子と、ダイヤモンドから成る放熱部分とを備える。この放熱部分は、熱伝導率の高いダイヤモンドから成るため、発光により発熱するレーザー発振素子等から効果的に熱を吸収する。従って、長時間の連続発光においてもレーザー発振装置は過熱することなく安定した発光を持続できる。
【００３５】
また、本発明のレーザー発振装置の放熱部分は発振素子の発振部分と同じダイヤモンド製であるため、発振部分の形成のための装置をそのまま用いて容易に放熱部分を形成することができる。
【００３６】
【実施例】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明する。尚、各図面において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３７】
まず、本発明のレーザー発振素子の動作に関して、更に詳細に説明をする。
【００３８】
ドープダイヤモンドに電流又は光によるエネルギーが入力されれば、ドープダイヤモンドに含まれる希土類金属原子が励起準位から基底準位への光学遷移を生じ、希土類金属のスピン分裂軌道間の内殻遷移に対応した波長での発光が生じる。例えば、Ｅｒ^＋３（４ｆ^１１）では^４ Ｉ_１３／２→^４ Ｉ_１５／２遷移により波長１．５３６μｍの発光が生じる。この遷移による１．５３６μｍという波長は、各種の光通信システムに多用される石英ファイバの最小損失波長域に近いため、光通信システムに有効に利用できる。また、ネオジウム（Ｎｄ）も１．０６μｍ、１．３μｍ付近で発光し、これらの波長は光通信システムへ有効に利用することが可能な範囲にある。
【００３９】
また、Ｅｒとイッテルビウム原子（Ｙｂ）とを共にダイヤモンドにドープすることにより、上記のＥｒの発光の強度を上昇させることができ、また、Ｅｒ：Ｙｂのドープの比率を変えることにより、発振波長を調整することも可能である。
【００４０】
ちなみに、これらドープされた希土類金属原子の光学遷移挙動に関しては、前出のＴｓａｎｇ らの文献１にも記載され、ＥｒがドープされたＩｎＧａＡｓＰレーザーから波長１．５３６μｍの発光が観察されていることが報告されている。
【００４１】
また、本発明のレーザー発振素子は、温度変化に対しても本質的な波長の変動はなく、温度変化に伴うドープダイヤモンド自身の屈折率変化によって僅かな波長の変動を伴うのみである。
【００４２】
本発明のレーザー発振素子は、上記の発振部分を励起させる方式の点で２つの態様が可能である。第１の態様は、別に設けた励起用レーザによる励起光を発振部分に入射させて、発振部分を発振させ発光させる態様である。この態様においては、発振素子にレーザ共振構造を形成して、この構造の中に発振部分で生じた光を閉じ込めて光出力密度を高めることにより、放出光強度を増加し利得を増大させることが可能になる。また、第２の態様は、発振部分に対して、ｐｎ接合、ショットキー接合あるいはＭＩＳ構造等、直接電流を注入できる構造を形成する。この態様では、ダイヤモンドに注入されたキャリアがＥｒを励起して発振部分を発光させる。
【００４３】
以下、本発明に従ったレーザー発振素子及びレーザー発振装置の具体例を例示する。
【００４４】
（実施例１）
本実施例では、別に設けた励起用レーザによる励起光を発振部分に入射させて、レーザー発振素子の発振部分を発振させ発光させる態様のレーザー発振装置を例示する。図１は、本実施例において作製されたレーザ発振装置を模式的に表した図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は正面図である。本実施例のレーザー発振装置は、図１に示されるように、本実施例で作製されたレーザー発振装置１０は、レーザー発振素子１２と、ダイヤモンドから成る放熱部分（ヒートシンク）１４と、レーザー発振素子１２を励起するための励起用半導体レーザー１６と、レーザー発振素子から放出された光を伝達する光ファイバ１８とから成る。本実施例のレーザー発振素子１２は、ダイヤモンドにエルビウム原子（Ｅｒ）をドープしたＥｒドープダイヤモンドから成る発振部分と、このＥｒドープダイヤモンドの端面に形成された弗化マグネシウム／ゼオライト系のハーフミラーとから成る。
【００４５】
以下、本実施例のレーザー発振装置の作製の手順を説明する。
【００４６】
（１）レーザー発振素子（Ｅｒドープダイヤモンド）の形成
まず、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を合成した。次いで、合成されたダイヤモンド膜に対して、イオン注入法によりＥｒを注入し、Ｅｒドープダイヤモンド膜を形成して、発振部分を形成し、この端面にハーフミラーをコーティングにより形成してレーザー発振素子を作製した。
【００４７】
ダイヤモンド合成には、周知のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内で行われた。
ダイヤモンドの合成のためのマイクロ波プラズマＣＶＤ法の操作条件は以下の通りであった；
マイクロ波周波数 ２．４５（ＧＨｚ）
水素ガス（Ｈ_２ ）流量 ２００（ｓｃｃｍ）
メタンガス（ＣＨ_４ ）流量 ６（ｓｃｃｍ）
圧力 １００（Ｔｏｒｒ）
マイクロ波出力 ３００（Ｗ）
基板温度 １１００（℃）
成長時間 ２５（ｈｒｓ）
形成されたダイヤモンド膜厚 １００（μｍ）。
【００４８】
このマイクロ波プラズマＣＶＤ法は、電力を局所的に集中させやすく高密度のプラズマが得られる点で、本発明のダイヤモンドの合成には好ましいが、この他にも、熱フィラメントＣＶＤ法やイオンビーム蒸着法、グラファイトをターゲットとしたスパッタリング等、公知のダイヤモンドの合成法又は成長法を特に制限なく用いることが可能である。
【００４９】
このように合成されたダイヤモンドに対して、周知のイオン注入法によりＥｒを添加した。本実施例のイオン注入法によるＥｒの注入条件は、以下の通りであった；
加速エネルギー １８０（ｋｅＶ）
ドーズ量 １ｘ１０^１４（ｃｍ^−２）
最大注入深さ １．５（μｍ）
最大ドープ量 １ｘ１０^１９（ｃｍ^−３）。
【００５０】
このようにして、Ｅｒドープダイヤモンドから成る発振部分が作製された。そして、Ｅｒドープダイヤモンドの端面に、Ｅｒの励起遷移によって発せられる波長に対するハーフミラーとして、フッ化マグネシウム／ゼオライト系のコーティングを形成し、図１に示されるような発振素子１２が完成した。
【００５１】
Ｅｒドープ量は、以下のような近似によっても算出される。イオン注入によって打込まれたイオンの深さの方向の分布はガウス的に近似でき、加速エネルギーＥ［ｋｅＶ］、ドーズ量Ｎｄ［ｃｍ^−２］で打込まれたイオンの深さｘにおける濃度Ｎ（ｘ）［ｃｍ^−３］は次の式で表される。
【００５２】
【数１】

【００５３】
ここで、Ｒｐは投影飛程、ΔＲｐは標準偏差である。
【００５４】
投影飛程Ｒｐ及び標準偏差ΔＲｐは、ＬＳＳ理論から、次のように求めることができる。
【００５５】
【数２】

【００５６】
【数３】

【００５７】
ＥはＭ１は注入イオンの原子量、Ｍ２は基材（この場合はダイヤモンド）の原子量、Ｚ１は注入イオンの原子番号、Ｚ２は基材の原子番号、Ｎｍは基材の単位体積当たりの原子の数である。この２つの式で得られたＲｐとΔＲｐを数１で表される式に用いて、深さｘにおけるイオン濃度Ｎ（ｘ）を求めることができる。例えば、加速エネルギーＥが３００［ｋｅＶ］、ドーズ量Ｎｄが２ｘ１０^１４［ｃｍ^−２］の条件で、Ｅｒをダイヤモンドに打込んだ場合は、式数２及び 数３から、投影飛程Ｒｐは１０００オングストローム、標準偏差ΔＲｐは３００オングストロームが得られる。そして、この値を用いて数１のガウス分布近似から、平均深さ１０００オングストロームの場合のイオン濃度Ｎは、１ｘ１０^１９［ｃｍ^−３］と求められる。ここで、Ｅｒドープダイヤモンドに含まれるＥｒドープ量は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析計）によっても測定される。
【００５８】
（２）放熱部分（ヒートシンク）の作製
図１に示されるように、本実施例のレーザー発振装置１０の放熱部分１４はダイヤモンドから成り、図１（ｃ）に示されるように、その表面には、発振素子から放出される光を伝達する光ファイバのアライメントのためのパターンニング２０が施されている。
【００５９】
放熱部分１４は、以下のようにして作製された。先に合成されたＥｒドープダイヤモンドの合成装置と同じマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用い、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により放熱部分のためのダイヤモンドの合成を行った。成長条件は次の通りである；
マイクロ波周波数 ２．４５（ＧＨｚ）
水素（Ｈ_２ ）流量 ２００（ｓｃｃｍ）
メタン（ＣＨ_４ ）流量 ４（ｓｃｃｍ）
圧力 １００（Ｔｏｒｒ）
マイクロ波出力 ５００（Ｗ）
基板温度 １１００（℃）
成長時間 ７５（ｈｒ）
膜厚 ３００（μｍ）
熱伝導率 １５００（Ｗ／ｍＫ）。
【００６０】
Ｅｒドープダイヤモンドの合成と同様に、放熱部分の形成には、マイクロ波プラズマＣＶＤ法以外にも、公知のダイヤモンドの合成法又は成長法を特に制限なく用いることが可能である。また、製造工程の簡単さの点で、Ｅｒドープダイヤモンドのためのダイヤモンドの形成と放熱部分の形成とは、同じ装置を用いて行われることが好ましいが、品質や工程時間等の理由がある場合には、別々の装置で行ってもよく、また、別々の合成法又は成長法を用いてもよい。
【００６１】
ここで、合成されたダイヤモンドの熱伝導率の測定には、以下に説明する絶対定常法を変形した定常比較法によって測定した。絶対定常法では、目的の試料内に、温度分布が時間と共に変化しない状態（即ち定常状態）を実現し、即ち、フーリエの式；
ｑ＝ −λｇｒａｄＴ （Ｗ／ｍ^２ ）
（ここで、ｑは熱流束（ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ），λは熱伝導率（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ）であり、ｇｒａｄＴは、この熱流束の方向における温度勾配である。）
に従う熱移動の状態を実現する。このとき、試料内部の熱流束を、電気等の発熱によって外部から試料に与えられる発熱量に等しいとすれば、定常状態にある試料中の温度勾配を測定することにより、試料の熱伝導率が求められる。ここで、この絶対定常法では試料に与えられる熱量と試料中を移動する熱量とは必ずしも一致しないため、正確な測定が困難な場合が多い。そこで、熱伝導率が既知である物質の熱移動との比較により、目的の試料の熱伝導率を求める定常比較法が多用されており、本発明の実施例においてもこの定常比較法を採用する。
【００６２】
比較定常法では、まず熱伝導率λ_Ｓ の物質に対して外部から熱を与え、熱流束ｑに対しての温度勾配（ｇｒａｄＴ）_Ｓ を測定する。次いで、目的の試料に対して、同一の熱流束を与えて、このときの温度勾配ｇｒａｄＴを測定する。このとき、上記のフーリエの式により、目的の試料の熱伝導率λは、
λ＝ λ_Ｓ （ｇｒａｄＴ）_Ｓ ／（ｇｒａｄＴ） （Ｗ／ｍＫ）
で与えられる。この定常法による熱伝導率の測定法は、例えば「熱物性値測定法」、１〜５頁、日本機械学会編、養賢堂（１９９１年）、に詳細に記載されている。
【００６３】
本実施例の定常比較法によるダイヤモンドの熱伝導率の測定では、理学電気社製の定常法熱伝導率測定装置を用い、熱伝導率が既知の物質として金（Ａｕ）を用いて測定を行った。
【００６４】
次に、図１（ｃ）に示されるように、形成されたダイヤモンドの放熱部分１４の表面上に、光ファイバアライメント用の溝２０を、以下のように形成した。まず、放熱部分の全面にわたり、Ａｌをスパッタリングにより堆積させた後、通常のフォトリソグラフィーの技術により、光ファイバアライメント用のパターニングを行った。次いで、形成されたＡｌのパターンをマスクとし、Ｏ_２ を用いる反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）によってエッチングを行い、放熱部分１４の表面に光ファイバアライメント用の溝２０を形成した。ＲＩＥによるエッチング条件は次の通りである；
Ｏ_２ ／Ａｒ 体積流量比 １（％）
ＲＦ周波数 １３．５６（ＭＨｚ）
ＲＦ出力 ５００（Ｗ）
圧力 ０．１（Ｔｏｒｒ）
エッチング時間 ３（ｈｒ）
エッチング深さ １０（μｍ）。
【００６５】
このようにして、図１（ｃ）に示されるように、レーザー発振素子１２及び光ファイバ１８を装着するためのアライメント用の溝２０が表面に形成された放熱部分１４が得られた。尚、ここでは図示されないが、このアライメント用の溝２０は、同時にレーザー発振素子１２及び励起用レーザー１６を装着するための溝をも有している。この溝は、レーザー発振素子１２及び励起用レーザー１６の装着される面（装着の際に下側となる面）が過不足なく納められる形状及び大きさを有している。即ち、前述のフォトリソグラフィーの際に、このような溝を形成するようなパターニングが施されている。
【００６６】
（３）レーザー発振装置の組立て
以上までに得られたレーザー発振素子１２と放熱部分１４に加えて、市販のＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザーである励起用半導体レーザー１６と、周知の弗素ガラス製光ファイバ１８とを用いて、レーザー発振装置１０を作製した。
【００６７】
励起用レーザー１６からの光を有効にレーザー発振素子１２に導入できるように、レーザー発振素子１２を励起用レーザー１６に光学的に接続させた。この際の接続は、以下のようである。まず、発振素子１２から発せられる光を伝達するための光ファイバ１８が、発光素子の片方の面に光学的に接続された。次に、前述のようにレーザー発振素子１２及び励起用レーザー１６を装着するための溝及び光ファイバアライメント用溝が形成されているダイヤモンド放熱部分１４表面上に、光ファイバ１８と接続されたレーザー発振素子１２と励起用レーザー１６とを、それぞれのための溝の適切な位置に、それぞれ装着した。装着のためには金錫が用いられた。ここにおいて、ＲＩＥによって精度良く加工されている溝の中に、レーザー発振素子１２及び励起用レーザー１６はそれぞれ適正に納められ、励起用レーザー１６の端面とレーザー発振素子１２の端面とは、光学的に接続された。そして最後に、全体をハーメチックシールで封じて、不活性ガスであるＡｒを充填し封入した。このようにして、本実施例のレーザー発振装置が完成した。
【００６８】
本発明のレーザー発光装置のポンピング用のレーザには、装置全体を小型化する観点からは、半導体レーザーを用いることが好ましい。例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ歪超格子を用いた発振光が０．９８μｍ附近の半導体レーザーであってもよく、ＡｌＧａＩｎＰ系の発振光が０．６７μｍ附近の半導体レーザーであってもよい。
【００６９】
図２は、レーザー発振装置１０を設置したモジュールの縦断面図である。図２に示されるように、モジュール３０の内部の台３１の上には、レーザー発振装置１０が設置されている。レーザー発振装置１０から発せられた光は、サファイア窓３２を通過して非球面レンズ３４に入射する。そして、アイソレーター３６を介してジルコニア製のキャピラリ３８へと入射し、フェルール４０に保持されている光ファイバ４２へと至る。
【００７０】
作製されたレーザー発振装置１０をモジュール３０に設置し、以下のように動作の確認を行った。図１及び図２に示されるように、レーザー発振装置１０の励起用レーザー１６に電流を通じ発光させてその光をレーザー発振素子１２に入射させ、レーザー発振素子１２即ちＥｒドープダイヤモンド内のＥｒの光学遷移を生じさせて、レーザー発振素子１２を発光させた。このとき、４０ｄＢ以上の副モード抑圧比で単一縦モード動作をしていることが確認された。
【００７１】
本実施例ではレーザー発振素子１２及び放熱部分１４に高い熱伝導率を持つダイヤモンドを用いているため、素子を過熱することなく強力なポンピング用半導体レーザを利用できることから、強力なレーザ発振を得ることができたことが示された。
【００７２】
（実施例２）
本実施例では、実施例１で作製されたレーザー発振素子と同じＥｒドープダイヤモンドに窒素を１００ｐｐｍドーピングすることにより、実施例１において入力されたエネルギーと同じ量のエネルギーを入力した場合に、ダイヤモンド中のＥｒイオンを効果的にダイヤモンド中に発生させてレーザ強度を１桁あげることができたことを例示する。
【００７３】
本実施例では、レーザー発振素子であるＥｒドープダイヤモンドの作製において、イオン注入の際に、窒素原子（Ｎ）を１０００ｐｐｍの濃度でドープした他は、全て実施例１と同じ工程及び条件で、レーザー発振装置を作製した。そして、実施れ１と同様にレーザー発振装置をモジュールに組み込み、同様に動作をさせた。このとき、５ｍＷのレーザー強度が得られた。
【００７４】
また、本実施例の変形として、レーザー発振素子であるＥｒドープダイヤモンドの作製において、イオン注入の際に、窒素原子１０００ｐｐｍのドーピングと同時にホウ素（ボロン）原子も１０００ｐｐｍドープした他は実施例１と同様の工程及び条件で、レーザー発振素子を作成した。このとき、６．５ｍＷのレーザー発振強度が得られた。従って、窒素とボロンとを同時にドープすることによって、窒素のみの場合と比較してレーザー強度を３０％上昇させることが可能であることが示された。
【００７５】
（実施例３）
実施例１で作製したＥｒドープダイヤモンドに対して、ホウ素原子（Ｂ、ボロン）ドープダイヤモンドとアンドープダイヤモンドとを上下面に形成し、それぞれの面に電極を形成して電流注入を行った。
【００７６】
図３に示されるように、本実施例で作製されたレーザー発振素子５０は、実施例１と同様に作製されたＥｒドープダイヤモンド５６を備え、この下側に、Ｂドープダイヤモンドが形成され、上側には不純物を添加しないアンドープダイヤモンド５８が形成された。更に、Ｂドープダイヤモンド５４の下側及びアンドープダイヤモンド５８の上側にはそれぞれ、電極５２、６０が形成された。
【００７７】
Ｂドープダイヤモンド５４の形成は、実施例１と同様のマイクロ波プラズマＣＶＤ法によってダイヤモンドを形成した後、実施例１と同様のイオン注入法によってＢイオンをダイヤモンドに注入することにより行われた。アンドープダイヤモンド５８の形成は、実施例１と同様のマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって行われた。
【００７８】
図４は、本実施例で作製されたレーザー発振装置６２を表した図であり、（ａ）が側面図、（ｂ）が上面図、（ｃ）が前面図である。図３に示されるように、本実施例のレーザー発振装置６２は、図１に示されるレーザー発振装置１０と比較して励起用レーザー１６が無く、放熱部分１４の上にはレーザー発振素子５０が装着されているのみである。
【００７９】
作製されたレーザー発振素子５０を有するレーザー発振装置６２を、実施例１において用いられたモジュールに組み込み、電極５２及び６２を介してレーザー発振素子５０に直接電流を供給することにより、励起用レーザを用いずに、１ｍＷのレーザー強度でレーザ発振が生じた。
【００８０】
（実施例４）
本実施例では、実施例３のレーザー発振素子５０の構造に対し；（ｉ）Ｅｒドープダイヤモンド５６に更にＢを１０ｐｐｍドープしてＥｒドープダイヤモンドとし；（ｉｉ）アンドープダイヤモンド５８のかわりに、ダイヤモンドにＰを注入したｎ型ダイヤモンドをＥｒドープダイヤモンドの上に形成する変更を加えて、レーザー発振素子にｐｎ接合を形成した。
【００８１】
実施例３と同様に、レーザー発振素子を有するレーザー発振装置をモジュールに組み込み、同様に電流をレーザー発振装置に供給して、発振を生じさせた。本実施例では、１０ｍＷのレーザー強度が得られ、ｐｎ接合により効率的にキャリアをＥｒドープ層に注入することにより、実施例３のレーザー発振装置と比較してレーザ強度を１桁あげることができたことが示された。
【００８２】
（実施例５）
本実施例では、実施例１と同様のレーザー発振素子であるが、Ｅｒソースにエルビウム原子ではなくｔｒｉｓ（２，２，６，６）−ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ−３，５−ｈｅｐｔａｎｅｄｉｏｎａｔｏ ｅｒｂｉｕｍ を用い、マイクロ波プラズマＣＶＤによるダイヤ成長中に同時に１０００ｐｐｍの濃度でドーピングを行った。そして、このドープダイヤモンドをレーザー発振素子として、実施例１と同様にレーザー発振装置を組立て、モジュールに組込んで実施例１と同様に発振させた。このとき、１０ｍＷのレーザー強度が得られた。
【００８３】
従って、本実施例ではドーパントとして、ｔｒｉｓ（２，２，６，６）−ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ−３，５−ｈｅｐｔａｎｅｄｉｏｎａｔｏ ｅｒｂｉｕｍ を用い、ダイヤモンド成長中に同時にドーピングを行うことにより、均質なドーピングが行われ、レーザ強度が上昇した。
【００８４】
（比較例１）
本比較例では、実施例５のドープダイヤモンドの形成において、Ｅｒドープ量を５００００ｐｐｍ以上の過剰な量とし、その他は実施例５と同様のドーピングを行った。
【００８５】
しかし、形成されたダイヤモンドは結晶性が崩れ、グラファイト成分がダイヤ内に析出した。その結果レーザ発振を得ることができなかった。従って
（比較例２）
本比較例では、実施例５のドープダイヤモンドの形成において、Ｅｒドープ量を１ｐｐｍ以上の非常に少量とし、その他は実施例５と同様のドーピングを行った。
【００８６】
しかし、ダイヤの結晶性はＸ線の半値幅ではノンドープダイヤと変わらないほど優れていたにもかかわらず、レーザ発振を得ることができなかった。
【００８７】
（比較例３）
実施例５の放熱部分の形成において、以下の条件でマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、熱伝導率が９００Ｗ／ｍＫのダイヤモンドを得てこれを放熱部分とした。
【００８８】
マイクロ波周波数 ２．４５（ＧＨｚ）
水素（Ｈ_２ ）流量 ２００（ｓｃｃｍ）
メタン（ＣＨ_４ ）流量 ８（ｓｃｃｍ）
圧力 １００（Ｔｏｒｒ）
マイクロ波出力 ５００（Ｗ）
基板温度 １１００（℃）
成長時間 ７５（ｈｒ）
膜厚 ３００（μｍ）
熱伝導率 ９００（Ｗ／ｍＫ）。
【００８９】
ここで、実施例１におけるマイクロ波プラズマＣＶＤ法の条件と異なる点は、メタンの流量を実施例１では４ｓｃｃｍとしていたところを、本比較例では８ｓｃｃｍとした点である。また、熱伝導率の測定は、実施例１で用いられた方法と同じ定常比較法により行われた。
【００９０】
このダイヤモンドを用いて実施例５と同様にレーザー発振装置を作製し、実施例５と同様にモジュールに組込んで発振を行った。
【００９１】
しかし、励起用レーザの出力を上げた際、レーザー発振装置全体の温度が上昇して発光波長が著しく不安定となり、所望のレーザ発振強度を得るには至らなかった。
【００９２】
ここで、熱伝導率の異なるダイヤモンドの作製は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法における合成において、メタン等の炭素原子供給ガスの濃度、供給量及び種類等を変えることにより実現される。この方法においては、一般には、炭素原子供給ガスの濃度を増加させると、ダイヤモンドの成長速度が増加するものの、ダイヤモンドの熱伝導率が低下する。
【００９３】
この方法で、メタンの供給流量を上記の流量よりも僅かに減少させて、熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫのダイヤモンドを作製して、実施例５と同様にモジュールに組込んで発振を行ったところ、レーザー発振装置全体の温度上昇による発光波長の変動は見られなかった。
【００９４】
従って、これらの結果によれば、レーザー発振の際に生ずる熱を効果的に吸熱するためには、レーザー発振装置の放熱部分には１０００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するダイヤモンドを用いることが好ましいことが示された。
【００９５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のレーザー発振素子は、基材に希土類金属を添加したダイヤモンドを用いているため、周波数の安定したレーザー光を高く且つ安定な発振強度で発することが可能となる。
【００９６】
また、本発明のレーザー発振装置は、放熱部分に熱伝導率の高いダイヤモンドを用いるため、長時間の操作においても、発振強度及び周波数が安定する。
【００９７】
従って、室温において連続発振可能で且つ発振周波数の安定したレーザ発振素子が提供される。
【００９８】
また、本発明により、小型で且つ信頼性の高い絶対波長レーザー発振装置を実用的なレベルで提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザー発振装置を表す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は正面図である。
【図２】本発明で作製されたレーザー発振装置が装着されるモジュールの断面図である。
【図３】本発明の、内部にｐｎ接続構造を有するレーザー発振素子の断面図である。
【図４】本発明のレーザー発振装置を表す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は正面図である。
【符号の説明】
１０…レーザー発振装置、１２…レーザー発振素子、１４…放熱部分、１６…励起用レーザー、１８…光ファイバ、２０…アライメント、３０…モジュール、３２…サファイア窓、３４…非球面レンズ、３６…アイソレーター、３８…キャピラリ、４０…フェルール、４２…光ファイバ、５０…レーザー発振素子、５２…電極、５４…Ｂドープダイヤモンド、５６…Ｅｒドープダイヤモンド、５８…アンドープダイヤモンド、６０…電極、６２…レーザー発振装置。

Claims (18)

1. ダイヤモンドに、希土類金属原子又は希土類金属原子を含む化合物が添加されたドープダイヤモンドから成る発振部分を備えることを特徴とするレーザー発振素子。
2. 前記希土類金属原子が、ネオジム原子（Ｎｄ）と、サマリウム原子（Ｓｍ）と、ユウロピウム原子（Ｅｕ）と、イッテルビウム原子（Ｙｂ）とから成る群より選択される原子を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザー発振素子。
3. 前記希土類金属原子がエルビウム原子（Ｅｒ）を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザー発振素子。
4. 前記ドープダイヤモンド中における前記エルビウム原子（Ｅｒ）の前記濃度が、１ｐｐｍ〜５０，０００ｐｐｍの範囲にあることを特徴とする請求項３に記載のレーザー発振素子。
5. 前記ドープダイヤモンドが更に、１ｐｐｍ以上の濃度で窒素原子（Ｎ）を含有することを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載のレーザー発振素子。
6. 前記窒素原子（Ｎ）の前記濃度が１００ｐｐｍ〜５０，０００ｐｐｍの範囲にあることを特徴とする請求項５に記載のレーザー発振素子。
7. 前記ドープダイヤモンドが更に、１ｐｐｍ以上の濃度でホウ素原子（Ｂ）を含有することを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載のレーザー発振素子。
8. 前記ホウ素原子（Ｂ）の前記濃度が１００ｐｐｍ〜５０，０００ｐｐｍの範囲にあることを特徴とする請求項７に記載のレーザー発振素子。
9. 前記ドープダイヤモンドが更に、１ｐｐｍ以上の濃度でホウ素原子（Ｂ）を含むことを特徴とする請求項５に記載のレーザー発振素子。
10. 前記窒素原子の前記濃度が１００ｐｐｍ〜１００，０００ｐｐｍの範囲にあり、且つ、前記ホウ素原子の前記濃度が１００ｐｐｍ〜１００，０００ｐｐｍの範囲にあることを特徴とする請求項９に記載のレーザー発振素子。
11. 添加物を含まないダイヤモンドから成る層を更に備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザー発振素子。
12. 前記発振部分が、前記発振部分から発せられる光を反射する膜を更に備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のレーザー発振素子。
13. 前記レーザー発振素子が、ｐｎ接合構造と、ショットキー接合構造と、ＭＩＳ構造とから成る群より選択される構造を内部に有し、且つ、電極を更に有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のレーザー発振素子。
14. ダイヤモンドに希土類金属原子又は希土類原子を含む化合物が添加されたドープダイヤモンドから成る発振部分を含む発振素子と、
    添加物を含まないダイヤモンドから成り、前記発振素子が装着される放熱部分とを備えることを特徴とするレーザー発振装置。
15. 前記放熱部分が、凹凸が形成された表面を有することを特徴とする請求項１４に記載のレーザー発振装置。
16. 前記放熱部分が、１０００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項１４に記載のレーザー発振装置。
17. 前記発振素子に光学的に接続される第２の発振素子を更に備えることを特徴とする請求項１４に記載のレーザー発振装置。
18. 前記発振素子が、ｐｎ接合構造と、ショットキー接合構造と、ＭＩＳ構造とから成る群より選択される構造を内部に有し、且つ、電極を更に有することを特徴とする請求項１４に記載のレーザー発振装置。

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