JP3767945B2 - スイッチ型固体マイクロレーザーによりポンピングされる一体型赤外発光デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、波長が１〜２０μｍの低パワー領域である赤外発光デバイスの分野に関するものである。このような赤外発光デバイスは、ガス吸収スペクトロスコピー、ガス検出、化学種検出、および、汚染物質検出のような応用に使用することができる。これらの発光デバイスは、”コヒーレント”（例えば、レーザーダイオード）あるいは”インコヒーレント”（例えば、発光ダイオード）とすることができる。
【０００２】
【従来の技術】
レーザーダイオード（コヒーレント発光）および発光ダイオード（インコヒーレント発光）は、公知のものであって、様々な応用に幅広く使用されている。これらのダイオードは、例えば、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、等のような半導体材料から作製される。アクセス可能な波長は、０．６〜１．５μｍの範囲である。
【０００３】
これらの構造の主要な利点は、材料に対してアクセス可能な範囲の中から特定の波長を前もって選択し得るという可能性である。半導体発光デバイスの波長は、混晶の組成であるか、あるいは、発光デバイスに使用される半導体構造の物理的特性であるかのどちらかを変調することにより、かなり幅広い範囲の中から連続的に選択することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
残念ながら、よく知られておりかつ制御可能な半導体発光デバイスは、１．５μｍを超えることがない限られた波長領域においてしか発光しない。そして発光し得る波長は、本質的に、半導体の禁止帯幅により決まってしまう。
【０００５】
しかしながら、様々な応用、特に上記において例示した応用においては、１．５μｍ以上であって、３、５、１０、あるいは２０μｍ程度までの波長が要求される。
【０００６】
例えば、II−VI化合物（ＣｄＨｇＴｅ）、III−V化合物（ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ）、あるいは、IV−VI化合物（鉛塩）のようなある種の半導体混晶は、興味のある波長領域、すなわち１〜５μｍ、あるいは、さらに広く１〜４０μｍの範囲の波長領域において、赤外発光をなし得るバンド幅を有している。
【０００７】
それらは、半導体吸収ポンピングレーザー（光学的ポンピング用半導体レーザー）の利用による光学的なポンピングのもとで、動作することができる。これにより、電気的注入型ダイオード構造という手段に関連した技術的課題（これらの材料においては、ドーピングおよび電気的コンタクトの制御性が乏しいという課題）から解放されることができる。
【０００８】
しかしながら、数マイクロメートルよりも長い波長の発光を得るためのタイプのレーザーダイオードあるいは発光ダイオードの構造を具体化し得るための現存の技術は、まだまだ完成には遠いものである。特に、これらの構造は、非常な低温でしか機能しない。
【０００９】
例えば、鉛塩（Ｐｂ_xＳｎ_1-xＳｅ、Ｐｂ_xＳｎ_1-xＴｅ、ＰｂＳ_1-xＳｅ_x、 Ｃｄ_xＰｂ_1-xＳ）に基づくレーザーダイオードは、λ＞１μｍ（４０μｍまで）である波長を得ることができる。ただし、この場合、温度Ｔは、Ｔ＜１６０Ｋである。同様にして、ＩｎＡｓ基体上のＩｎＡｓＳｂ（ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x）のタイプからなる混晶は、Ｔ＜１６０Ｋにおいて、２．９〜３．６μｍの波長範囲での発光を与えることができる。これに関しては、H.Preler氏によるSemiconductor Science and Technology, vol.5, S12-S20, 1990における”Physics and appli-cations of IV-VI compound semiconductor lasers”と題する文献、N.C.Giles 氏他によるApplied Physics Letters, vol.55, pp202-2028, 1992 における” Stimulated emission at 2.8 μm from Hg-based quantum well structures grown by photo-assisted moleculor beam epitaxy”と題する文献、Z.Feit氏他によるApplied Physics Letters, vol.58, pp343-345, 1991における”Single mode moleculor beam epitaxy grown PbEuSeTe/PbTe buried-heterostructure diode lasers”と題する文献、Z.Feit氏他によるApplied Physics Letters, vol.55, p16 ff における”Low-threshold PbEuSeTe double-heterostructure lasers”と題する文献を参照することができる。A.Ravid 氏他によるApplied Physics Letters, vol.55, pp2704-2706, 1989における”Optically pumped laser oscillation at 2.5 μm of a CdHgTe layer grown by metalorganic chemical vapor deposition” と題する文献は、最大の動作温度１５０Ｋを与えている。
【００１０】
雰囲気温度で動作し得る化合物においては、３μｍを超える波長を得ることはできない（四元混晶Ｇａ_1-xＡｌ_xＡｓ_yＳｂ_1-yのレーザー発光は、１．８〜２．４μｍの範囲）。２μｍの波長が、半導体Ｈｇ_0.51Ｃｄ_0.49Ｔｅに対して、雰囲気温度において得られている。これは、J.Bleuse氏他によるJournal of Crystal Growth, 117, 1992, pp1046-1049 における”Room-temperature laser emmis- sion near 2 μm from an optically pumped HgCdTe separate confinement structure” と題する文献に記載されている。
【００１１】
これらすべての文献においては、温度の問題が、この分野において常に問題となっており、本当には解決されていないことを示している。
【００１２】
さらに、数μｍで動作する構造（鉛塩）は、大きな注入電流および高いしきい値を要求するという点において、実現がさらに困難なものとなっている。
【００１３】
公知の構造において得られたパワーは、通常、非常に小さいものである（１ｍＷ未満）。また、そのような構造を備えるデバイスは、脆弱である。したがって、そのようなデバイスを実際に工業的に応用することは困難である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、明瞭に決められた応用（例えば、汚染性ガスの吸収波長）に対応する特定の与えられた波長において、コヒーレント発光（レーザー）あるいはインコヒーレント発光を得ることができ、また雰囲気温度において機能し得るデバイスを提案するものである。
【００１５】
さらに詳細には、本発明は、赤外放射を放出し得る半導体エレメントと、この半導体エレメントを光学的にポンピングし得るように設けられたスイッチ型マイクロレーザーとを具備する赤外発光デバイスに関するものである。
【００１６】
半導体の光学的ポンピングに関して興味深い点は、ｐおよびｎドーピング、オーミックコンタクト、およびエッチング技術により得られた注入型ダイオード構造を具体化することを要求しないことである。これにより、注入型ダイオードの作製の困難さを伴うことなく、赤外発光デバイスを得るための、どのような半導体であっても使用することができる。
【００１７】
本発明においては、マイクロレーザーが、半導体の光学的ポンピング源として使用される。マイクロレーザーは、一体式構造が得られることのために、一体化可能であって、また頑丈であって、そしてコンパクトなポンピング源である。マイクロレーザーは、どのような半導体のレーザーしきい値に対しても、それが非常に高いしきい値であっても、また、どんな温度においても、しきい値に達するのに十分なパワーを有している。マイクロレーザー出力において、２０〜１００μｍの直径で数ｋＷのパワーを得ることができる。すなわち、数十ＭＷ／ｃｍ² のパワー密度を得ることができる。このパワー密度により、たいていの公知の半導体の光学的ポンピングを行うことができる。この場合、半導体から放出されるパワーは、典型的には数十ｍＷである。
【００１８】
さらに、本発明により、他の問題が同時に解決される。その問題とは、ポンピングのパルス幅の問題である。ポンピング源は、適切なパワーを供給しているものの、時間の観点からは過剰に幅広のパルスを供給しており、これは、半導体の動作にとって不利となる熱負荷をもたらすことになる。しかしながら、スイッチ型マイクロレーザーの限られたキャビティ長さ（≦１ｍｍ）の結果として、マイクロレーザーのパルスは、短いものであり（典型的には、１ｎｓ未満であって、長くても５ｎｓ）、上記有害な熱負荷を避けることができる。
【００１９】
同時に、このようなパルスの立ち下がりの速さは、半導体の非常に短い励起状態の寿命（数百ピコ秒〜１ｎｓ）と適合する。
【００２０】
また、マイクロレーザーの使用により、かなりのコンパクトさを得ることができる。マイクロレーザーの利点の１つは、多層積層構造の形態とされたその構造である。活性レーザー媒質は、１５０〜１０００ミクロンの限られた厚さ、および、数ｍｍ² の小さな寸法の材料から構成される。そして、活性レーザー媒質上には、誘電性キャビティミラーが直接的に成膜される。半導体もまた、典型的には約５００μｍの厚さであって、薄いプレートの形態とされている。よって、本発明によるデバイスは、非常にコンパクトである。
【００２１】
最後に、マイクロレーザーは、頑丈なレーザー源であるので、容易に集積化することができ、また、マイクロエレクトロニクス技術を利用して大量に、したがって低コストで生産することができる。本発明のデバイスは、これらすべての利点をもたらすことができる。
【００２２】
半導体エレメントは、数百マイクロメートルの厚さ、例えば５００μｍ以下の厚さのプレートの形態とすることができる。この半導体エレメントは、また、コーティング膜、あるいは、基体上にエピタキシーされたフィルムの形態とすることができる。
【００２３】
半導体は、適切な波長で発光させるために、公知のII−VI、III−V、あるいはIV−VI混晶の中から選択することができる。
【００２４】
本発明は、発光が全体的にあるいは少なくとも部分的に、３μｍ以上の波長で（λ≧３μｍ）あるいは２μｍ以上の波長で（λ≧２μｍ）なされる半導体に対して、特別の利点をもって使用することができる。
【００２５】
例えば、Ｐｂ_xＳｎ_1-xＳｅ（７≦λ_emission≦４０μｍ）、Ｐｂ_xＳｎ_1-xＴｅ（６≦λ_emission≦４０μｍ）、ＰｂＳ_1-xＳｅ_x（同様に３〜８μｍ）、
Ｃｄ_xＰｂ_1-xＳ（同様に１〜４μｍ）、あるいは、Ｃｄ_xＨｇ_1-xＴｅ（同様に１〜１５μｍ）において、構造を得ることができる。
【００２６】
また、雰囲気温度で動作し、かつ、１から３μｍの範囲で発光するような（ Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ、ＣｄＳ_xＳｅ_1-x、等）すべての公知の構造を使用することができる。
【００２７】
本発明の他の実施形態においては、半導体エレメントは、マイクロレーザーの出力面上に直接的に固定されている。半導体の少なくとも１つの面には、無反射処理を施すことができる。
【００２８】
本発明の半導体デバイスの構造によれば、個々のケースに応じて、インコヒーレントビーム（発光ダイオードの発光に等価なフォトルミネッセンス発光）であるか、あるいは、コヒーレントレーザービームであるかのどちらかを発光させることができる。
【００２９】
半導体エレメントは、結果的に、半導体レーザーの一部を形成することができ、特に、半導体レーザーキャビティの一部を形成することができる。この半導体レーザーは、例えば、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）タイプから構成することができる。
【００３０】
半導体レーザーは、また、導波路タイプから構成することができ、半導体エレメントは、基体上に成膜されたフィルムの形態とすることができる。さらに、この半導体フィルムは、マイクロレーザーにより放出されるビームの方向に対して、実質的に垂直な平面内において配向することができる。
【００３１】
ある実施形態においては、マイクロレーザーキャビティは、可飽和吸収体（ saturable absorber）により、受動的にスイッチングされる。
【００３２】
本発明の他の形態は、マイクロレーザーキャビティ内における可飽和吸収体および活性媒質の相対配置に関するものである。
【００３３】
この実施形態においては、可飽和吸収体は、マイクロレーザーキャビティの活性媒質上に薄膜の形態で直接的に成膜されることができる。
【００３４】
この実施形態における主な利点の１つは、スイッチング形式とされたマイクロレーザーキャビティ（あるいは、マイクロオプティクスと関連するマイクロレーザーを構成するレーザーマイクロシステム）の構造であって、この構造は、フィルムの積層から構成され、低コスト大量生産の可能性を維持し得るものである。この多層構造は、単純さを損なうものではなく、連続型マイクロレーザーのために開発されてきたようなマイクロレーザーの大量生産プロセス、すなわち低コストプロセスに対して不向きではない。そして、極めて容易に作製でき、自己軸合わせ型であり（光学系のセッティングが不要）、一体式であり、受動的にスイッチングされるマイクロレーザーを作製することができる。この構造は、接着あるいは固着操作が不要であって（可飽和吸収体を他のマイクロレーザーキャビティエレメントに結合させるという手段においては必要となってしまう）、また、複雑な軸合わせ操作も不要である（可飽和吸収体を、マイクロレーザーキャビティの他のエレメントには一切接触させないよう配置するという手段においては必要となってしまう）。
【００３５】
”共ドーピング型”レーザー（同一の媒質が、活性レーザーイオンと可飽和吸収体イオンとの両方を含んでいる）と比較した場合の本発明のマイクロレーザーの他の利点は、活性媒質が可飽和吸収体から隔離されていることであり、そして、これら２つの媒質の固着が避けられているものの、一体式構造は、維持していることである。したがって、一方においては、（フィルムの成膜時において、あるいは、フィルム成膜後の機械的薄膜化により）厚さを独立に制御することができ、また、２つの媒質内におけるイオンの濃度を独立に制御することができる。他方においては、前記分離の結果として、同一のイオン（例えば、Ｅｒ）が活性イオンとして、および、異なる濃度の可飽和吸収体イオンとして使用されているスイッチング式のレーザーを得ることができる。
【００３６】
本発明の他の形態においては、フィルムは、ポリマー溶媒中に溶解された有機色素により形成されることができる。変形形態として、フィルムは、液相エピタキシーにより成膜されることができる。マイクロレーザーキャビティは、また、能動的にスイッチングされることができる。
【００３７】
マイクロレーザーの分野においては、能動的なスイッチング方法は、J.J. Zayhowski 氏他によるOptics Letters, vol.17, No.17, pp1201-1203, 1992における”Diode-pumped microchip lasers electro-optically Q switched at high pulse repetition rates” と題する文献中に記載されている。この方法は、本発明においても使用することができる。
【００３８】
この文献においては、スイッチングは、２つの結合されたＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティの構成において実現されている。長さがＬ₁ である活性レーザー媒質は、入力ミラーおよび中間ミラーと共に、第１Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成している。長さがＬ₂ であるスイッチング材料（電気光学材料、 ＬｉＴａＯ₃ ）は、中間ミラーおよび出力ミラーと共に、第２Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成している。スイッチングは、外部からの操作により、スイッチング材料の光学長さを変化させることによりなされている。スイッチング電極は、レーザービームの軸に直交するように、材料の両側に配置されている。これら電極間に電圧Ｖが印加されたときには、電界Ｅは、ｅを電極間の距離（電極間の距離は、電気光学材料の厚さに対応している）とすると、Ｅ＝Ｖ／ｅで表され、電極から発生する。光学的インデックスｎ₂ 、および、結果としての電気光学材料の光学長さｎ₂Ｌ₂は、電界Ｅの作用により変化する。このことは、２つのキャビティの結合に影響を与え、レーザー媒質から見た中間ミラーの反射率を変化させる。しかしながら、この方法は、欠点を有している。
【００３９】
まず、最初に、上記文献に記載されているマイクロレーザーは、（予めカットされたフラグメントを結合させることにより）手動プロセスにより作製される。これは、幾何寸法に対して、特に電極間隔に対して、下限を与えることになり、最小値は、１ｍｍ近辺である。他の問題は、スイッチングに適した電界Ｅに達する必要があることである。実際、２つの電極間に、１ナノ秒よりも短いような非常に短い時間において、約１ｍｍ³ の体積であるレーザーチップに対して、約１０００Ｖの電圧を印加する必要がある。これは、実用的な手段の観点からは非常に困難であり、マイクロレーザー製造の単純化および低コスト化には適さない複雑なエレクトロニクスを必要とする。
【００４０】
上記課題を解決するために、本発明の実施形態においては、活性レーザー媒質が、入力ミラーと中間ミラーとの間に第１共振キャビティを形成し、第２材料が、中間ミラーと出力ミラーとの間に第２共振キャビティを形成し、前記材料の光学的インデックスは、外部擾乱により変調可能であり、レーザービームサイズ縮小手段が、第１共振キャビティの入力部分に配置され、２つのキャビティの集合体およびレーザービームサイズ縮小手段は、一体化されている。
【００４１】
よって、この実施形態においては、本発明は、また、電極間に印加される電圧が高いという問題を解決する。また、マイクロレーザーキャビティのしきい値を下げることができる。よって、この構造に基づいて、第２材料の厚さを約１００μｍとすることができる。これにより、電気光学材料の場合には、要求される電圧を５０〜１００Ｖの範囲にまで制限することができる。マイクロレーザーのスイッチングのしきい値もまた、数ミリワットの程度にまで低減される。最後に、この構造は、大量生産プロセスに適しており、小さなサイズの試料を製造し得るとともに、必要な製造コストを低減することができる。
【００４２】
レーザービームサイズ縮小手段は、ポンピングビームが通過することになる活性レーザー媒質の面上にマイクロミラーを備えて作製された凹面ミラーにより構成されることができる。出力ミラーは、第２材料の出力面上にマイクロミラーを備えて作製された凹面ミラーとすることができる。２つのキャビティは、光学的に安定な状態であるように作ることができる。
【００４３】
能動モードで動作しかつより単純な構造さえも有しているマイクロレーザーを得ることができる変形形態においては、マイクロレーザーは、光学的な安定限界にある。そして、マイクロレーザーには、光学的な不安定状態から光学的な安定状態へと移行させるために、キャビティの光学長さを変化させる手段が設けられている。
【００４４】
したがって、新しい能動スイッチング機構が具体化される。というのは、光学的な不安定状態は、光学的な安定状態とは違って、キャビティ損失の大きな状態であるからである。
【００４５】
さらに、得られた構造は、例えばJ.J.Zayhowski 氏による文献（前出）から公知であるような構造とは、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティがただ１つであることにより、根本的に異なっている。
【００４６】
キャビティは、半球状、共焦、同中心、あるいは、球状キャビティとすることができる。この場合、キャビティ内におけるビームのサイズは、より小さいものであり、使用する材料の厚さを低減することができる。したがって、マイクロレーザーのサイズは、さらに低減される。これにより、上記問題点の１つを解決することができる。それは、特に、第２材料が電気光学材料である場合には、印加すべき電圧が高電圧となってしまうという問題点である。すなわち、電気光学材料の厚さが減少した場合には、ｅを電極間厚さとしたときに電界Ｅが次式で表されることからわかるように、より小さな電圧で、同じ電界を得ることができる。
【数１】

【００４７】
ある実施形態においては、マイクロレーザーキャビティは、光学長さが可変である第２材料を、活性レーザー媒質から離間した状態で有している。しかしながら、この場合、２つではなく、ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティだけが、なお要求されている。このことは、非常にコンパクトであって、一体化された構造をもたらすものである。
【００４８】
キャビティの光学長さを変化させる手段は、第２材料の前記長さを変化させるための手段とすることができる。
【００４９】
ある実施形態においては、活性レーザー媒質および第２材料は、異なる光学的インデックスを有しており、キャビティの光学長さを変化させる手段は、第２材料の光学的インデックスを変化させる手段を備えている。第２材料は、電気光学材料とすることができる。
【００５０】
よって、高損失かつ不安定な領域から低損失かつ安定な領域へとキャビティを移行させるために光学長さを変化させ、キャビティのスイッチングを可能とするただ１つのマイクロレーザーキャビティが作製される。ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを有していることのみが必須である。たとえ、そのただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティが、複数の材料（活性レーザー材料、および、光学長さ可変材料）を含有していてもである。
【００５１】
複数の材料が並置、結合、あるいは、分子接着により互いに接着されたときには、システムのコンパクトさは、向上する。このことは、マイクロレーザーの場合には非常に重要なことである。
【００５２】
【発明の実施の形態】
本発明は、以下において、本発明を何ら制限するものではない実施形態に関して、添付図面を参照して、より詳細に説明される。
【００５３】
図１は、半導体組成を、動作温度および発光波長に応じて示す図である。
図２、図３、図４（ａ）および図４（ｂ）は、本発明の異なる実施形態を示す図である。
図５〜図７は、マイクロレーザーによりポンピングされる半導体レーザーの構造を示す図である。
図８および図９は、半導体の出力部分にマイクロレンズを備える本発明のデバイスを示す図である。
図１０（ａ）〜図１０（ｅ）は、本発明のデバイスの製作工程を示す図である。
図１１〜図１７は、活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【００５４】
本発明のデバイスにおいて使用される半導体エレメントは、使用者による所望の波長に応じて選択することができる。特に、半導体は、公知のII−VI、III−V、あるいはIV−VI混晶の中から選択することができる。例えば、対応する波長領域に関連して図１に示す混晶の中の１つをエレメントとすることができる。図１において右側に配置されかつ波長領域が破線矢印で示されているエレメントは、従来方法では、１６０Ｋ以下の非常な低温においてしか得ることができないという点において、特に興味深いものである。特に、Ｂｉ_1-xＳｂ_xをベースとする半導体は、動作可能とするためには、１６Ｋという低温を必要とする。
【００５５】
本発明のデバイスの半導体エレメントは、また、例えば両面が研磨されたような、プレートの形態とすることができ、厚さは、数百マイクロメートル以下、例えば５００μｍ以下とすることができる。変形形態においては、半導体エレメントは、エピタキシーされた半導体混晶のコーティング膜として得ることができる。そのような混晶に対するエピタキシーの方法は、公知である（液相エピタキシー、分子ジェットエピタキシー、有機金属エピタキシーが知られており、例えば、有機金属エピタキシー法によるＨｇＣｄＴｅの成長は、A.RAVID 氏による上述の文献中に記載されている）。フィルムのエピタキシーは、好ましくは半導体エレメントの発光波長に対して透明である基体上になされる。ＨｇＣｄＴｅをベースとする半導体の場合には、４％のＺｎを含むＣｄＺｎＴｅ基体が、例えば、使用されることになる。また、上記エピタキシー方法を使用すると、量子井戸を備えるまたは備えないヘテロ構造、例えば、ＣｄＨｇＴｅをベースとするヘテロ構造を得ることができる。
【００５６】
本発明のデバイスの一実施形態を図２に示す。図において、符号２および４は、マイクロレーザーキャビティの入力ミラー、および、出力ミラーを示している。また、マイクロレーザーキャビティは、活性レーザー媒質６、および、マイクロレーザーを能動モードあるいは受動モードでスイッチングするためのスイッチング手段８を有している。キャビティは、図示しないポンピング手段によりポンピングされることができ、ポンピングビームが符号１０で示されている。マイクロレーザーにより放出されるパルスは、組成および構造が上記のようなものである半導体エレメント１２に吸収される。半導体エレメント１２は、マイクロレーザーの出力面に対して、例えば、固着されている。
【００５７】
マイクロレーザーは、通常、１μｍ付近の発光波長で（例えば、ＹＡＧ：Ｎｄにおいては、１．０６４μｍ）、５〜１００ｋＨｚの高いレートで、数ｋＷの高ピークパワーで、１〜５ナノ秒の短いレーザーパルスを放出する。半導体によるマイクロレーザービームの吸収は、半導体中の電子−ホール対において起こることになる。電子−ホール対は、フォトンを放出するために、約１ナノ秒で非常に素速く結合する。そして、フォトンの波長は、既に説明したように、半導体の組成によって決定される。このような電子−ホール対の再結合の速さは、非常に短いパルスを放出するレーザー源を必要とすることの根拠となる。この理由により、スイッチ型マイクロレーザーは、この応用に対して好適である。
【００５８】
本発明のデバイスの他の実施形態を図３に示す。図において、符号１４は、スイッチ型マイクロレーザーを全体的に示している。符号１６は、半導体エレメントを示している。半導体エレメント１６は、スペーサーエレメント１８、１９により、マイクロレーザーの出力面から隔離されている。また、マイクロレーザーから放出されるビーム２０を成形するための手段２２を、マイクロレーザー１４の出力部分に設けることができる。この手段は、例えば、マイクロレーザーキャビティの出力ミラーに対して、（固着により、あるいは、面間接触により）一体化されたシリカマイクロレンズとすることができる。この手段により、半導体エレメント１６上において、あるいは、半導体エレメント１６中において、ビーム２０の絞り込み（あるいは、焦点合わせ）を行うことができる。
【００５９】
光学的コーティング層の成膜を、半導体エレメントの面上に施すことができる。例えば、図４（ａ）に示すように、マイクロレーザーの波長に対する無反射処理コーティング層２６を半導体エレメント２４の入力面上に成膜することができる。これにより、マイクロレーザーからのビームは、半導体エレメント中に入射する。なお、図４（ａ）においては、図２におけるエレメントと同じエレメントに対しては、同一符号が付されている。図４（ａ）において、半導体による波長の発光部分に破線で示されている無反射処理コーティング層２８は、半導体の出力面上に成膜することができる。これにより、この半導体エレメントにより作り出されるすべての光は、出力面から外部へと放出される。
【００６０】
さらに他の実施形態を図４（ｂ）に示す。図において、符号３０および３２は、半導体エレメント２４を備えるレーザーキャビティの入力ミラー、および、出力ミラーを示している。なお、図４（ｂ）においては、図４（ａ）におけるエレメントと同じエレメントに対しては、同一符号が付されている。このレーザーキャビティにより、半導体から放出されるレーザービームを得ることができる。ミラー３０、３２は、以下の特性を有していなければならない。
−入力ミラー３０（好ましくは、ダイクロイックミラー）：マイクロレーザーの波長において最大透過、かつ、半導体の波長において最大反射。
−出力ミラー３２（好ましくは、ダイクロイックミラー）：半導体から放出されるビームの波長において数％の透過。
【００６１】
すべての場合において、光学的コーティングあるいはフィルムの成膜は、誘電体積層により構成することができる。ミラーの成膜は、付加的に、エピタキシーにより作られた半導体積層により構成することができる。
【００６２】
図４（ｂ）の実施形態においては、半導体レーザーは、マイクロレーザーの出力ミラー４上に直接的に接触している。しかしながら、半導体レーザーの入力ミラー３０は、例えば、図３に示すようなスペーサーエレメントを利用することにより、マイクロレーザーの出力ミラー４から、ゼロではないある距離だけ離して配置することができる。この場合、中間絞り込みエレメントは、設けても設けなくてもどちらでも構わない。
【００６３】
すべての場合において、得られた構造は、マイクロレーザーが（スイッチングエレメント８を考慮したにしても）最大でも数ｍｍの厚さであり、かつ、半導体エレメントが（基体の有無にかかわらず）最大でも約１ｍｍの厚さであることから、極度にコンパクトである。したがって、上述の構造は、極度にコンパクトであり、極めて単純であり、また、動作時の軸合わせが不要である。さらに、上述のすべての構造は、マイクロエレクトロニクスにおいて使用されている大量生産に適している。
【００６４】
図５に示すように、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）タイプからなる半導体レーザーは、マイクロレーザーによりポンピングされることができる。符号２、４、６、８は、図４（ａ）、図４（ｂ）および図２の場合と同一のエレメントを示している。半導体レーザーキャビティは、２つのミラー３６、３８により画成されている。出力ミラー３８は、エピタキシーにより基体４６上に形成されており、半導体の波長において高い反射を示すものである。ＶＣＳＥＬ構造においては、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティの厚さは、非常に薄く（約１μｍ）、その結果、単一モードレーザーを得ることができる。図５において、符号４４は、量子井戸構造の製造を可能とするフィルムを示している。ＶＣＳＥＬレーザー、および、その特性は、例えば、K.IGA 氏他による IEEE J. Quantum Electronics, 24, p1845, 1988 における”Surface emitting semi- conductor laser”という文献中に記載されている。
【００６５】
マイクロレーザーによってポンピングされる本発明の半導体は、図６に示すように、導波路構造とすることができる。符号４８は、ポンピング用マイクロレーザーを示している。半導体レーザーの活性ゾーン５０が、基体５２上に成膜されている。赤外ビーム５４が、半導体レーザーにより放出されている。
【００６６】
マイクロレーザーによってポンピングされる半導体レーザーの他の実施形態を、図７に示す。活性半導体ゾーン５６が、マイクロレーザーからのポンピングビームの波長に対して透明な基体５８上に成膜されている。基体５８は、付加的に、同様にポンピングビームの波長に対して同じ透過特性を有する第２基体６０上に配置することができる。基体５８および活性層５６は、ポンピングビームに対して実質的に垂直に配置されている。結果的に放出される発光は、方向６２に沿うものであり、それ自体は、ポンピングビームに対して垂直である。ポンピングビームに対して平行なビームを得るために、マイクロレンズ６４、６６を基体６０のエッチング面上に成膜することができる。この実施形態においては、活性ゾーンをＣｄＨｇＴｅに基づいて構成したときには、基体５８は、約１μｍの波長に対して透明なＣｄＺｎＴｅとすることができる。
【００６７】
マイクロレーザーの活性媒質６の構成材料は、１．０６μｍ付近におけるレーザー発光のためには、例えば、ネオジミウム（Ｎｄ）をドーピングすることとなる。この材料は、例えば、以下の材料の中から１つを選択することができる。すなわち、ＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）、ＬＭＡ（ＬａＭｇＡｌ₁₁Ｏ₁₉）、ＹＶＯ₄ 、ＹＳＯ（Ｙ₂ＳｉＯ₅）、ＹＬＦ（ＹＬｉＦ₄） 、ＧｄＶＯ₄ 、等の中から選択することができる。
【００６８】
公知の材料のうちで、マイクロレーザーの動作にとって最も適切なものは、以下のものである。
−１つは、ＹＶＯ₄ である。これは、良好な係数、広い吸収バンドを有しており、良好な実効断面積も兼備している。
−また、ＹＡＧである。これの吸収係数および実効誘導放出断面積は、平均的なものであり、これの吸収および発光バンド幅は、狭いものであり、そして、大きな寸法の形態とすることができ、熱伝導率が良好である。
−また、ＬＭＡである。これは、小さな吸収係数および実効断面積を呈し、吸収および発光バンド幅は、広いものであり、そして、これもまた大きな寸法の形態とすることができる。
【００６９】
活性イオン（ドーパント）に関しては、通常、次のものの中から選択される。
−１．０６μｍ付近の発光に対しては、Ｎｄ。
−１．５μｍ付近の発光に対しては、Ｅｒ。あるいは、エルビウムおよびイッテルビウム（Ｅｒ＋Ｙｂ）のコドーピング（codoping）。
−２μｍ付近の発光に対しては、Ｔｍ。あるいは、Ｈｏ。あるいは、タリウムおよびホルミウムのコドーピング。
【００７０】
他のパラメータは、活性マイクロレーザー媒質の厚さｅである。厚さｅは、活性マイクロレーザー媒質の特性を左右する。すなわち、
−一方においては、厚さｅが増加するにつれて、ポンピングビームの吸収がより大きくなることになる。
−他方においては、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティの縦モードの数は、厚さとともに増加する。そして、長さ方向に単一モードであるレーザーを得たい場合には、この厚さは、薄くなければならない。
【００７１】
ｄｇを材料のレーザー発光のゲインバンド幅とすると、モード数Ｎは、次式により与えられる。
Ｎ＝ｄｇ／ｄｖ、そしてｄｖ＝Ｃ／（２ｎＬ）
ここで、Ｃは光の速度、ｎは材料の屈折率である。
【００７２】
単一周波数レーザーに関しては、通常、Ｎ＝１に対しての最小厚さが選ばれ、厚さは、＞１００μｍとされる。単一モードを得るための典型的な厚さは、
−ＹＡＧ では、Ｌ＝７５０μｍである。
−ＹＶＯ₄では、Ｌ＝５００μｍである。
−ＬＭＡ では、Ｌ＝１５０μｍである。
【００７３】
実用的には、厚さｅは、結果的に、１００μｍ〜約１ｍｍの範囲で可変とされることになる。
【００７４】
完全なレーザキャビティを得るために、スイッチングエレメント８を備えた活性媒質６は、２つのミラー２、４間に位置している。公知方法により成膜された入力ミラー２は、レーザー波長において（できる限り１００％に近い）最大反射を示し、かつ、ポンピングの波長（一般的には、Ｎｄがドーピングされた材料に対しては８００ｎｍ、Ｅｒがドーピングされた材料に対しては９８０ｎｍ、そして、Ｔｍがドーピングされた材料に対しては７８０ｎｍ）において可能な限り高い透過（＞８０％）を示すようなダイクロイックミラーであることが好ましい。出力ミラー４は、同様にダイクロイックミラーであることが好ましいが、レーザービームの数％の透過は許容する。
【００７５】
マイクロレーザーキャビティのポンピングは、光学的ポンピングであることが好ましい。よって、III−Vレーザーダイオードが、マイクロレーザーキャビティのポンピングに特に適している。
【００７６】
付加的に、従来方法（A.EDA氏他による CLEO'92, paper CWG33, p282（Conf. on Laser and Electro-optics, Anaheim, USA, May 1992））により、レーザー媒質６の表面上に透明材料（例えば、シリカ）からなるマイクロレンズアレイを作ることが可能である。典型的なマイクロレンズの寸法は、直径が１００〜数百ミクロンであり、曲率半径が数百マイクロメートル〜数ミリメートルである。
【００７７】
このようなマイクロレンズは、平面−凹面タイプからなる”安定な”キャビティ（平面−平面キャビティは安定ではない）を作製するために使用される。光学的ポンピングの場合には、マイクロレンズは、また、ポンピングビームを絞り込むことができ、そして、マイクロレーザーキャビティ、および、半導体媒質の両方においてビームのサイズを低減することができる。そのような構成例について、図１２〜図１５を参照して後述する。
【００７８】
キャビティの安定化は、また、キャビティ内の損失を低減することができ、キャビティの動作効率を向上させることができる。
【００７９】
上述の方法は、また、半導体の出力部分にマイクロレンズを作ることができる。これにより、半導体出力ビームを成形することができる。そのような構造は、図８に示されている。図において、ポンピング用マイクロレーザーは、符号６８で示されており、半導体エレメントは、符号７０で示されている。マイクロレンズ７２は、エレメント７０の出力部分に形成されている。変形形態においては（図９）、マイクロレンズ７４は、シリカ等の材料に予め作製されたものであって、その後、半導体から放出される赤外ビームの経路に固定される。マイクロレンズ７４は、例えば、半導体の出力面に固着される。
【００８０】
ある特別な実施形態においては、マイクロレーザーキャビティは、受動的にスイッチングされる。この場合には、スイッチングエレメント８は、可飽和吸収体エレメントである。
【００８１】
特別に有利な実施形態においては、可飽和吸収体は、薄膜の形態である。特に、可飽和吸収体フィルムを、レーザー増幅媒質上に直接的に成膜することが有利である。
【００８２】
２つのタイプの薄膜を使用することが可能である。
−１つは、可飽和吸収分子を含有するポリマーである。典型的には１．０６μｍのマイクロレーザーに対しては、可飽和吸収体として、有機色素を使用することができる。有機色素は、例えば、クロロベンゼン中に６％重量のポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を含有する溶液中のビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル（bis(4-diethylaminodithiobenzyl) nickel, BDN, KODAK,CAS No. 51449-18-4）のようなものを使用することができる。
【００８３】
代替物は、作製プロセスと関連して以下において説明される。
【００８４】
このタイプの溶液は、トラメル（trammmel）によりレーザー材料上に直接的に成膜される（以下の作製プロセスの記載を参照されたい）。この結果、フィルムの厚さは、約１〜５μｍ、例えば、２、３、４μｍとなる。
【００８５】
−他のタイプのフィルムは、液相エピタキシー（liquid phase epitaxy、ＬＰＥ）により、レーザー材料上に直接的に得ることができる。あるいは、同じ成膜（同じ材料、同じドーピング、同じ特性）を得ることを可能とする他の任意のプロセスにより得ることができる。よって、一般的には、フィルムは、ＬＰＥにより得られることになる。ＬＰＥによる作製プロセスは、以下において記載され、固体活性媒質から構成される基体上に、１μｍ〜５００μｍ（例えば、１００、２００、３００、４００μｍ）のフィルム厚さでもって得ることができる。フィルムは、固体活性媒質（例えば、ＹＡＧ）の基本材料と同一の基本材料により構成される。しかし、フィルムは、フィルムに可飽和吸収特性を与えるイオン、例えば、１．０６μｍのレーザーに対してはＣｒ⁴⁺、あるいは、１．５μｍ付近のレーザーに対してはＥｒ³⁺がドーピングされている。
【００８６】
よって、スイッチングされるべきレーザーに対しては、レーザーの発光波長においてエピタキシャル層が可飽和吸収を示すようなタイプのドーパントが適用されている。
【００８７】
結果的に、この場合、活性レーザー材料および可飽和吸収体フィルムは、同じ結晶構造を有しており、結晶に影響を与えかつこれら２つの媒質の光学特性に影響を与えるドーパントにおいてのみ異なっている。結果として、２つの場合におけるフィルムの性質は、大きく異なっている。
【００８８】
よって、各々のフィルムのタイプに対して、ダメージのしきい値が決められる。レーザーキャビティ内に存在するパワー密度がある値を超えると、可飽和吸収体薄膜を破壊し得るようになる。この限界パワー密度は、ダメージしきい値として知られており、有機色素含有ポリマーの場合には、ＬＰＥ成膜フィルムの場合よりも、より低いものである。よって、有機色素含有ポリマーの場合には、ＬＰＥ成膜フィルムの場合よりも、キャビティ内においてより低いエネルギーレベルで動作させる必要がある。
【００８９】
さらに、ある場合には、レーザー材料とポリマーとの間のインデックスの違いは、これら２つの媒質間の光学的境界面において現れる。他の場合には、ＬＰＥだけが、同じ材料（例えば、ＹＡＧ上にはＹＡＧであって、ドーピングだけが異なる）に対して可能である。この場合には、エピタキシャルフィルムのインデックスを、エピタキシャルの基体として機能している活性レーザー媒質のインデックスに合わせることが可能である。したがって、２つの媒質間における光学的境界面の形成を阻止することができる。
【００９０】
最後に、フィルムの性質は、レーザーパルスのパルス形態またはパルス形状に影響を与えることになる。ポリマー中に溶解された有機色素の場合には、色素の緩和時間は、非常に短く（〜１ｎｓ）、一方、イオンが不純物（Ｃｒ⁴⁺、Ｅｒ³⁺）を構成しているエピタキシャルフィルムの場合には、緩和時間は、（およそ数ナノ秒であって）少し長いものである。これらの性質は、意図した使用に応じて、フィルムの選択を明瞭に左右することになる。すべての場合において、このような（短い）緩和時間は、数百ｐｓ〜１ｎｓという半導体における励起状態の寿命と合致している。
【００９１】
上述の構造（活性レーザー媒質上にフィルムの形態で可飽和吸収体が直接成膜されている構造）により、軸合わせを必要とすることがなく、光学的接着剤のような付随的なエレメントの導入を必要とすることがなく、また、同じ基本媒質から、活性レーザー媒質および受動スイッチングエレメントを形成するための同じ基本媒質のコドーピング（codoping）を行う必要がない、コンパクトなマイクロレーザーキャビティを得ることができる。
【００９２】
次に、受動的にスイッチングされる形態のマイクロレーザーを備えた本発明のデバイスの製造プロセスについて、図２に示すような構造を得る場合に対して説明する。以下、各工程ごとに説明する。
【００９３】
１）活性レーザー材料が選択され、調製される。すなわち、配向され、０．５〜５ｍｍの厚さのプレート１４６にカットされる（図１０（ａ））。その後、プレートは、研磨され、また仕上げ研磨される。その結果、所望の最終厚さｅが得られる。
【００９４】
２）この工程は、可飽和吸収体１４８の作製工程である（図１０（ｂ））。
【００９５】
２ａ）従来の可飽和吸収体の場合には、スイッチ型マイクロレーザーキャビティを得ることができる様々なプロセスが公知である。特に、活性レーザー媒質の基本材料のコドーピングを行うことができ、これにより、活性レーザー媒質および可飽和吸収体の性質を与えることができる（例えば、ＹＡＧに対して、ネオジミウムイオンＮｄ³⁺およびクロミウムイオンＣｒ⁴⁺をドーピングする）。
【００９６】
２ｂ）薄膜の形態で成膜された可飽和吸収体の場合には、２つのタイプの成膜が可能である。
【００９７】
２ｂ１）第１の成膜タイプ：ポリマー中に溶解された可飽和吸収体有機色素の成膜。
【００９８】
典型的には、１．０６μｍのマイクロレーザーに対しては、可飽和吸収体として、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）溶液中のビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル（BDN, KODAK, CAS No. 51449-18-4）のような有機色素を使用することができる。この目的のために、クロロベンゼン（Prolabo） 中に、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ、Polyscience average weights） を６ｗｔ．％含有させて、２４時間攪拌した溶液を調製する。この溶液に、０．２ｗｔ．％のＢＤＮを加え、その後、２時間攪拌する。そして溶液は、濾過された後、液滴を滴下して基体を回転させ遠心分離により広げる方法で、基体の出力面上に成膜される。この”トラメル”成膜のためには、マイクロエレクトロニクスの分野において、リソグラフ操作時に使用される樹脂の成膜のための装置のような標準装置を使用することができる。基体は、前もって、仕上げ研磨操作に起因する不純物のすべてのトレースに関してクリーニングされる。基体は、２０００ｒ．ｐ．ｍ．で２０秒間回転（トラメル）され、その後、５０００ｒ．ｐ．ｍ．で３０秒間回転（トラメル）される。その後、フィルムは、オーブン中において、７０℃で２時間乾燥される。
【００９９】
これにより、１μｍ厚さであり、３％の活性分子（ＢＤＮ）を含有し、また、飽和前の光学密度が１．０６μｍ（７４％透過）において０．１３であるフィルムが得られる。
【０１００】
ポリマーの濃度パラメータ、ポリマーの分子量またはポリマーの溶媒、色素の比率、トラメルの回転速度を変化させることにより、可飽和吸収体の達成特性を調節することができる。得られた典型的な特性は、以下のようである。
−フィルム厚さ ： １〜５μｍ（例えば、２、３、４μｍ）
−分子の濃度 ： ５〜１０ｗｔ．％
−色素 ： ＢＤＮ、ｍｍ＝６８５ｇ
−ガラス転移点 ： Ｔ_g＝７８℃
−１．０６μｍにおける吸収 ： １０〜７０％
−飽和レベル ： ９０％
−有効断面積 ： １０^-16ｃｍ²
−飽和強度 ： ０．１〜１ＭＷ／ｃｍ²
−フィルムの非一様性 ： ＜５％（１ｃｍ²あたり）
−減極レベル ： ＜１０^-5
（depolarization level）
−８００ｎｍにおける損失 ： ＜１％
−反復レート ： １０〜１０，０００Ｈｚ
−光安定性 ： １０⁸ストローク
【０１０１】
ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、あるいは、ポリスチレンのような他のポリマーは、ＰＭＭＡに代えて、それぞれに対して適切な溶媒を使用して使用することができる。また、色素として、ビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケル（bis(4-dimethylaminodithiobenzyl)nickel, BDN, KODAK, CAS No. 38465-55-3）を使用することもできる。
【０１０２】
色素は、また、シリカゲル内に組み込むこともできるし、あるいは、ポリマーチェインにぶら下げることもできる。
【０１０３】
多数の他のジチエン（dithiene）系金属錯体を、他の波長に対する染料として使用することができる。これに関しては、K.H.Drexhage氏他による Optics Com-munications 10(1), 19, 1974 、および、Mueller-Westerhoff氏による Mol. Cryst. Liq. Cryst. 183, 291, 1990による文献中に記載がある。
【０１０４】
この方法は、また、１．０６μｍ以外の波長で動作するスイッチ型レーザーに対しても使用することができる。例えば、テトラエチルオクタハイドロテトラアザペンタフェン−ジチオルアト−ニッケル（tetraethyloctahydrotetraaza- pentaphene-dithiolat-nickel,上記Mueller-Westerhoff氏による文献を参照されたい）を備えて１．５μｍ付近で発光するＥｒまたはＥｒ＋Ｙｂレーザー（ＥｒまたはＥｒ＋Ｙｂがドーピングされた材料であって、活性イオンはＥｒである）においてスイッチングが起こっても良い。
【０１０５】
２ｂ２）第２の成膜タイプ：液相エピタキシー（ＬＰＥ）によるフィルムの成膜。
【０１０６】
可飽和吸収体（Ｓ．Ａ．）フィルムは、基体の成膜される面が適切に選択された過飽和溶液に浸漬される。この溶液またはエピタキシーバスは、溶媒と、最終材料を形成するものとは異なるエレメントにより構成されている溶質との混合体である。基体およびフィルムは、同じ結晶構造を有しており、フィルムの結晶性、および、光学的性質に影響を与えるドーパントにおいてのみ異なっている。Ｎｄ、Ｅｒ、Ｙｂのような活性イオンは、材料を増幅することができ、一方、他のイオン（Ｃｒ、Ｅｒ）は、Ｓ．Ａ．特性を材料に与える。そして、さらに他のイオン（例えば、Ｇａ、Ｇｅ、Ｌｕ、等）は、屈折率を変化させるために、あるいは、結晶格子を変化させるために使用することができる。よって、得られるフィルムの性質を制御することが可能となる。
【０１０７】
このプロセスは、（基体をなすために）単結晶の形態をなすいかなる材料に対しても適用することができ、また、液相エピタキシーにより作製することができる。これは、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂（ＹＡＧ）、Ｙ₂ＳｉＯ₅（ＹＳＯ）、ＹＶＯ₄ 、 ＹＬｉＦ₄ （ＹＬＦ）、あるいは、ＧｄＶＯ₄ のような活性レーザー媒質の基本材料としての上記材料の場合である。バスの組成（溶媒および置換基の選択）、異なる酸化物の溶質内における濃度、実験的成長条件（温度範囲、操作手続、等）は、最適の結晶性を有するフィルムを得るために、各材料に応じて調節することができる。
【０１０８】
ガーネット（ＹＡＧ）の場合には、選択された溶媒は、ＰｂＯ／Ｂ₂Ｏ₃混合体であり、溶質は、ガーネット相を安定化させる目的で、Ａｌ₂Ｏ₃を過剰に含有している。溶質／溶媒比が、その後、１０００℃で成長させるために計算される。
【０１０９】
バスの組成、温度、および、成膜時間の関数として、厚さ（１≦ｅ≦２００μｍ、例えば、２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、１７５μｍであって、ｅ≧２００μｍとすることも可能）、および、フィルム中のドーパント濃度を調節することができる。フィルムの成長は、一定温度で起こり、これにより、フィルム厚さにわたってのドーパント濃度の一様性を得ることができる。基体は、等速あるいは回転運動され、これにより、良好な厚さの一様性が得られる。
【０１１０】
１つあるいは２つのＳ．Ａ．フィルムを備えた基体は、活性レーザー媒質の１つの面の表面がバス中に浸漬されるか、あるいは、活性レーザー媒質が全体的にバス中に浸漬されて両面に対してそれが起こるかのどちらを選択するかによって、製作することができる。
【０１１１】
得られた１つあるいは複数のエピタキシー面は、エピタキシープロセスにより発生した可能性のある表面粗さを除去するために、再度研磨される。これにより、１つあるいは複数のエピタキシーフィルムの厚さは、マイクロレーザーの動作に対して所望の厚さとされる。
【０１１２】
３）この工程は、マイクロレーザーキャビティのミラー１５０、１５１を成膜する工程である（図１０（ｃ））。これらミラー１５０、１５１は、誘電体多層成膜により得られるダイクロイックミラーとすることができる。この成膜方法は、公知であり、また商業的に利用可能な方法である。
【０１１３】
４）この工程は、半導体部分を作製する工程である。この場合の半導体部分は、上述のような組成および構造を有している（基体上にエピタキシーされた数μｍ厚さのフィルム、ヘテロ構造、量子井戸を有しているあるいは有していない、等）。例えば、図４（ｂ）あるいは図５を作製する場合には、この工程に、ミラーの成膜を付加することになる。
【０１１４】
５）この工程は、半導体構造の固定工程である。前工程において得られた半導体構造１５２は、例えば固着により、マイクロレーザーの出力ミラー上に固定される。
【０１１５】
図３に示すような構造を得るためには、マイクロレーザーに対する直接的な固着が不要であることは明らかである。
【０１１６】
６）この工程は、マイクロレーザーのチップを得るための、プレートをカットする工程である（図１０（ｅ）参照、図における格子模様は、切削線を示している）。
【０１１７】
複数のミラー、可飽和吸収体、活性レーザー媒質、半導体エレメント、および付加的にマイクロレンズを有する小さなプレートは、面積が数ｍｍ² であり、また厚さが約１〜２ｍｍ、すなわち体積が約１〜２ｍｍ³ のレーザーチップが得られるよう、ディスクソーによりカットされる。
【０１１８】
他の構造を得るに際しては、当業者は、上記工程を変更することができる。例えば、図４（ａ）のような構造に対しては、光学フィルム２６、２８を成膜するという中間工程を設ける必要がある。
【０１１９】
図７の構造においては、基体６０を準備する必要がある。しかしながら、付加的な工程は、当業者により適宜決められる。
【０１２０】
本発明の他の実施形態においては、マイクロレーザーキャビティおよびマイクロレーザーは、能動的にスイッチングされる。そのような構造の例が図１１に示されており（半導体エレメントは、図示において省略されている）、図において、参照符号１６２は、入力ミラー１６６と中間ミラー１６８との間において、第１共振キャビティを形成している活性レーザー媒質を示している。第２共振キャビティは、中間ミラー１６８と出力ミラー１７０との間において形成されている。第２共振キャビティは、エレメント１７４を有しており、エレメント１７４の光学的インデックスは、外部からの擾乱により変調され得るようになっている。特に、この材料は、電気光学材料とすることができ、例えば、ＬｉＴａＯ₃ により構成することができる。外部制御電圧は、電極１７２、１７３に印加することができ、そして、そのように印加された電圧により、材料１７４中に電界が発生し、材料のインデックスの変調がもたらされる。この変調は、２つのキャビティの結合に影響を及ぼし、活性レーザー媒質から見た中間ミラー１６８の反射率を変調する。
【０１２１】
この実施形態は、レーザービームサイズ縮小手段を付加することにより、さらに改良することができる。レーザービームサイズ縮小手段は、第１共振キャビティの入力部分に配置され、２つのキャビティおよびレーザービームサイズ縮小手段の集合体は、一体化されている。この改良は、図１２および図１３に示されており、図１２、１３においては、図１１におけるものと同一または対応するエレメントには、同じ参照符号が付されている。レーザービーム１９０のサイズ縮小手段は、各々の場合において、参照符号１８８により示されている。すなわち、レーザービームサイズ縮小手段は、実際、ポンピングビーム１８０がまず最初に通過することになる活性レーザー材料１８２の表面上に形成されたマイクロミラー１８８により形成されている。
【０１２２】
この構成に基づいて、マイクロレーザーの全体的な厚さ、特に、材料１７４の厚さを約１００μｍとすることができる。電気光学材料１７４の場合には、これにより、電極１７２、１７３間に印加するのに必要な電圧を５０〜１００Ｖに制限することができる。しかしながら、（すべてのミラーが平面状である）図１１の実施形態においては、キャビティのスイッチングのための適切なインデックス変化を得るために、電極１７２、１７３間には、数百ボルト特に１０００Ｖといった高電圧を印加しなければならない。キャビティにレーザービームサイズ縮小手段が設けられている場合には、マイクロレーザーのスイッチングのしきい値は、数ミリワットにまで低減することができる。この場合、半導体マイクロレーザー集合体の動作は、最適な状態でなされる。
【０１２３】
マイクロミラー１８８の曲率半径は、マイクロレーザーの全体長さ（活性媒質１８２の長さＬ₁ ＋媒質１７４の長さＬ₂ ）を超えることが好ましい。典型的には、曲率半径は、約１．５〜２ｍｍを超えることになる。この状況のもとでは、光学的に安定なキャビティが得られ、レーザービーム１９０の相対的に小さな直径φは、媒質１７４内において起こり、（図１１に示す実施形態においては約１２０μｍであるのに対し）典型的には数十マイクロメートルである。
【０１２４】
図１３に示すように、凹状のマイクロミラー１８９が第２キャビティの出力部分に設けられている構造を作ることもまた可能である。
【０１２５】
しかも、マイクロミラー１８８、１８９の各々の半径Ｒ₁、Ｒ₂は、２つの光学的に安定なキャビティを得るために選択することができる。この条件は、実際、Ｒ₁≧Ｌ₁かつＲ₂≧Ｌ₂により満たされる。図１２の平凹キャビティの場合には、Ｒ₂＝（無限大）である。
【０１２６】
電気光学エレメント１７４に代えて、インデックスｎ₂ が可変な媒質を使用することもまた可能である。このような媒質は、
−例えば近傍に配置された電磁石を利用することによる外部磁界に対応してインデックスｎ₂ が変調されるような磁気光学材料であるか、あるいは、
−インデックスが外部から印加された温度変化または圧力変化の関数であるような材料であるかのいずれかである。
【０１２７】
上述のマイクロレーザーの構造は、図２、図４（ａ）、図４（ｂ）、および、図５〜図９に関連して説明したように、半導体エレメントに結合し得ることはもちろんである。そして、マイクロレーザーの出力マイクロレンズ（図１３の場合）と半導体との間に、（図３におけるエレメント１８、１９のような）スペーサーエレメントを付加することもできる。
【０１２８】
次に、他の能動的にスイッチングされるレーザーマイクロキャビティの構造について説明する。
【０１２９】
上記構造（図１１〜図１３に示す二重Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティ）と比較して、得られたレーザーマイクロキャビティの構造は、ずっと単純であり、能動モードで動作する公知のマイクロレーザー構造の複雑さの問題を解決するものである。しかも、図１２および図１３に関連して説明した実施形態と同様に、この構造は、電気光学材料が使用された際に要求されるべき制御電圧を低減することができる。
【０１３０】
この実施形態においては、マイクロレーザーキャビティは、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成する活性レーザー媒質および２つのマイクロミラーを備えている。前記キャビティは、光学的安定限界にあり、キャビティには、マイクロレーザーキャビティを光学的不安定状態から光学的安定状態へと移行させるために、マイクロレーザーキャビティの光学的長さを変化させるための手段が設けられている。
【０１３１】
したがって、新しい能動スイッチングが導入される。というのは、光学的に不安定な状態は、光学的に安定な状態に対して、キャビティの損失が多い状態であるからである。この構造は、ただ１つだけのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを有していることにより、公知の構造とは、根本的に異なっている。
【０１３２】
この実施形態は、図１４および図１５に図示されている。ここで、参照符号１７２、１７３、１７４、１８０は、図１１〜図１３において同じ参照符号が与えられているものと、同一のエレメントを示している。参照符号１９２は、活性レーザー媒質を示している。参照符号１９４、１９８は、レーザーマイクロキャビティの入力ミラーを示している。参照符号１９６、２００は、レーザーマイクロキャビティの出力ミラーを示している。媒質１９２および１７４は、互いに接触した状態とすることができ、無反射コーティングを、１９２−１７４間の境界面に成膜することができる。図１１に示すマイクロレーザーキャビティは、安定限界にある半球状のキャビティである。これは、レーザー材料、および、外部制御電圧により光学的インデックスを変化させ得る他の材料を備えて得られたただ１つのキャビティの形態である。図１１〜図１３に関して説明したような２つの結合されたキャビティの場合とは違って、これらの材料は、ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成している。２つの材料１９２および１７４は、固着（bonding） によりあるいは分子接着（molecular adhesion）により、接触されることができる。これら２つの材料の接合部分においては、これら２つの材料の光学的インデックスの違いにより、数パーセントの限られた反射が起こり得る。しかし、この限られた反射により、従来技術において説明したようなシステムの場合には、２つのキャビティを共振状態に結合させるための適切な共振を得ることはできない。
【０１３３】
図１５に示す実施形態は、図１４に示す実施形態に対して、出力ミラー２００が曲率半径Ｒ₂ を有する凹面ミラーである点において相違している。
【０１３４】
例えば共焦（confocal）キャビティ（図１５に示すように２つの凹面ミラーを備えたキャビティ）、あるいは、半球状キャビティ（図１４に示すように平凹面ミラーを備えたキャビティ）のようなキャビティを安定限界で作るように、ミラーの特性を決定する必要がある。
【０１３５】
半球状キャビティの場合には、安定性は、次式により得られる。
【数２】

ここで、Ｌ＝Ｌ₁＋Ｌ₂である。
【０１３６】
共焦キャビティの場合には、安定性は、次式により得られる。
【数３】

【数４】

【０１３７】
最後に、同中心の、あるいは、球形キャビティに対しては、安定性に関する条件は、次式となる。
【数５】

【０１３８】
各場合においては、キャビティを安定状態にする目的で、対応する不等式を満足させるために、インデックスｎ₂ 、インデックスｎ₁ 、あるいは、長さＬ₁ 、Ｌ₂ のうちの１つのいずれかを変化させることができる。これらパラメータのうちの１つの変化は、外部制御手段により得ることができる。キャビティの光学的安定状態は、低損失状態に対応しており、また、キャビティの光学的不安定状態は、高損失状態に対応しているので、キャビティを能動的にスイッチングするために、新規な手段が設けられる。
【０１３９】
図１４および図１５に示す実施形態の場合には、電気光学媒質のインデックスｎ₂ は、電界を印加することにより変調される。
【０１４０】
これに代えて、キャビティの光学長さを変化させるために、電気光学材料１７４を以下のものに置き換えることができる。すなわち、
−例えば近傍に配置された電磁石を利用することによる外部磁界に対応してインデックスが変調されるような磁気光学材料。
−インデックスｎ₂ が圧力に依存し、インデックスの変化が圧力変化により得られるような材料。
【０１４１】
出力ミラーを圧電手段上に設けることにより、キャビティの全体幾何長さを変調することもまた可能である。これにより、また、マイクロレーザーキャビティの光学長さの制御された変化を得ることができ、そして、マイクロレーザーキャビティの光学的不安定状態から光学的安定状態への移行が可能とされる。
【０１４２】
半球状、共焦、同中心、あるいは、球状キャビティを使用することにより、電気光学材料１７４が使用されたときに、電気光学材料１７４内におけるマイクロレーザービームの集中を可能とすることができる。マイクロレーザービームの断面積が低減されることにより、インデックスがｎ₂ である材料の厚さを低減させることができる。レーザー材料と共に単一キャビティを画成する電気光学材料が使用されたときには、したがって、インデックスｎ₂ の変調のために必要な電界Ｅを得るための接触電極１７２、１７３間の所要距離を低減させることができる。同じ電界Ｅを得るために電極に印加される電圧は、同じだけ低減される。
【０１４３】
上述のマイクロレーザーの構造は、既に図２、および、図４（ａ）から図９に関連して説明したように、半導体エレメントに結合し得ることはもちろんである。この場合、マイクロレーザーの出力マイクロレンズ（図１５および図１７）と半導体との間に、スペーサーエレメント（図３におけるエレメント１８、１９と同様のもの）を付加的に追加することができる。
【０１４４】
次に、能動的にスイッチングされるマイクロレーザーを備えた図２の構造に関して、デバイスの製造プロセスについて説明する。このプロセスは、可飽和吸収体を備えたデバイスの作製に対して図１０（ａ）ないし図１０（ｅ）に関連して説明した時の工程１および工程３〜６と同じ工程を有している。相違点は、この場合、マイクロレーザーにおいて能動スイッチングを得ることが必要であることにより、工程２である。
【０１４５】
２つの結合されたＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを備えるマイクロレーザー構造（図１１〜図１３）の場合には、レーザー材料１６２上に中間ミラー１６８が成膜され（図１６（ａ））、その後、中間ミラー１６８上に、インデックス可変材料プレート、例えば、電気光学材料（ＬｉＴａＯ₃） が成膜される。その後、工程３の後、かつ、工程４の前において、制御電極１７２、１７３の形成を行う工程３’−１〜３’−４が行われる。
【０１４６】
３’−１）この工程においては、マイクロレーザーの出力面１１５が、樹脂膜１１７により保護される。
【０１４７】
３’−２）この工程においては、電気光学材料内に溝１１９の形成が行われる（図１６（ｂ））。これは、後工程において所望の間隔で電極を作ることができるようになされるもので、マイクロエレクトロニクスの分野において使用されるダイヤモンドソーが利用される。
【０１４８】
３’−３）引き続くこの工程においては、蒸着により電気的コンタクトの成膜（例えば、樹脂膜１１７および電気光学材料を覆うＣｒ−Ａｕコーティング１２１の成膜）が行われる。
【０１４９】
３’−４）その後のこの工程においては、保護樹脂１１７の化学的エッチングが行われ、電気光学材料の両側に金属領域が残される。
【０１５０】
ただ１つのＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを備えるマイクロレーザー（図１４および図１５）の場合には、中間ミラー１６８の成膜は、行われない。この場合、無反射コーティングが、レーザー材料プレートと電気光学材料プレートとの間の境界面に成膜されることができる。２つのプレートは、その後、光学的接着剤を利用して固着される、あるいは、例えば分子接着のような他の任意のプロセスにより一体化される。
【０１５１】
マイクロミラーを、キャビティの１つの面上に形成しなければならないときには、フォトリソグラフィー（マスクを介してのＵＶ照射を利用した感光性樹脂の露出、そして樹脂の化学的現像）、および、イオンビームによる加工が使用される。
【０１５２】
上記２つの能動スイッチングの場合（二重キャビティおよび単一キャビティ）においては、変形形態として、密度可変マスクを用いてマイクロミラーを作ることができる。また、図１７に示すように、平面または凹面マイクロミラー１２９、１３１を、レーザーの波長に対して透明なガラスまたはシリカのような材料１３３上に作ることができる。この場合、マイクロミラーを備えたこれらの基体は、レーザー媒質の入力面１３５、および、電気光学材料１３９の出力面１３７に結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体組成を、動作温度および発光波長に応じて示す図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図４】図４（ａ）および（ｂ）は、本発明のさらに他の実施形態を示す図である。
【図５】マイクロレーザーによりポンピングされる半導体レーザーの構造を示す図である。
【図６】マイクロレーザーによりポンピングされる半導体レーザーの構造を示す図である。
【図７】マイクロレーザーによりポンピングされる半導体レーザーの構造を示す図である。
【図８】半導体の出力部分にマイクロレンズを備える本発明のデバイスを示す図である。
【図９】半導体の出力部分にマイクロレンズを備える本発明のデバイスを示す図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｅ）は、本発明のデバイスの製作工程を示す図である。
【図１１】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【図１２】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【図１３】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【図１４】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【図１５】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【図１６】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【図１７】活性的にスイッチングされるマイクロレーザーを示す図である。
【符号の説明】
６ 活性レーザー媒質、固体活性媒質
１２ 半導体エレメント
１４ マイクロレーザー
１６ 半導体エレメント
２２ マイクロレーザーのビームを成形するための光学的手段
２４ 半導体エレメント
２６ 無反射処理コーティング層
２８ 無反射処理コーティング層
４８ マイクロレーザー
５４ 赤外ビーム
６８ マイクロレーザー
７０ 半導体エレメント
１４６ 活性レーザー媒質、固体活性媒質
１４８ 可飽和吸収体
１５２ 半導体エレメント
１６２ 活性レーザー媒質、固体活性媒質
１６６ 入力ミラー
１６８ 中間ミラー
１７０ 出力ミラー
１７２ 電極（第２材料の長さを変化させるための手段）
１７３ 電極（第２材料の長さを変化させるための手段）
１７４ 電気光学材料（第２材料）
１８０ マイクロレーザーのポンピングビーム
１８８ マイクロミラー（レーザービームサイズ縮小手段）
１８９ 出力ミラー
１９２ 活性レーザー媒質、固体活性媒質
１９４ 入力ミラー
１９６ 出力ミラー
１９８ 入力ミラー
２００ 出力ミラー

Claims (29)

1. 赤外放射を放出し得る半導体エレメントと、前記半導体エレメントを光学的にポンピングし得るように設けられたスイッチ型マイクロレーザーとを具備し、
   前記半導体エレメントは、前記マイクロレーザーの出力面上に直接的に固定されていることを特徴とする赤外発光デバイス。
2. 前記半導体エレメントは、５００マイクロメートル以下という厚さのプレートの形態であることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
3. 前記半導体エレメントは、基体上にエピタキシーされたフィルムの形態であることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
4. 前記半導体エレメントは、Ｐｂ_ｘＳｎ_１−ｘＳｅ、あるいは、 Ｐｂ_ｘＳｎ_１−ｘＴｅ、あるいは、ＰｂＳ_１−ｘＳｅ_ｘ、あるいは、ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘ、あるいは、Ｃｄ_ｘＨｇ_１−ｘＴｅ、あるいは、Ｃｄ_ｘＰｂ_１−ｘＳ、あるいは、Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘ（０＜ｘ＜１）に基づいていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
5. 前記半導体エレメントは、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ、あるいは、 ＩｎＡｓ_ｘＰ_１−ｘ、あるいは、Ｃｄ_ｘＺｎ_１−ｘＳ、あるいは、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＡｓ、あるいは、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰに基づいていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
6. 前記半導体の少なくとも１つの面には、無反射処理が施されていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
7. 前記半導体エレメントは、半導体レーザーの一部を形成していることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
8. 前記半導体レーザーは、ＶＣＳＥＬタイプからなることを特徴とする請求項７記載のデバイス。
9. 前記半導体レーザーは、導波路タイプからなり、前記半導体エレメントは、基体上に成膜されたフィルムの形態であることを特徴とする請求項７記載のデバイス。
10. 前記半導体フィルムは、前記マイクロレーザーにより放出されるビームの方向に対して、実質的に垂直な方向に延在していることを特徴とする請求項９記載のデバイス。
11. 前記マイクロレーザーが、前記マイクロレーザーの前記出力面上に、前記マイクロレーザーのビームを成形するための光学的手段を備え、この成形のための光学的手段が、前記マイクロレーザーの前記出力面を構成していることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
12. 前記半導体エレメントにより放出される赤外ビームを成形するための光学的手段が、前記エレメントの出力部分に設けられていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
13. 前記マイクロレーザーキャビティが安定化されていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
14. 前記マイクロレーザーは、受動的にスイッチングされることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
15. 前記マイクロレーザーキャビティは、固体活性媒質と、可飽和吸収体とを備え、前記可飽和吸収体は、前記固体活性媒質上に直接的に成膜された可飽和吸収体材料フィルムの形態であることを特徴とする請求項１４記載のデバイス。
16. 前記フィルムは、ポリマー溶媒中に溶解された有機色素により形成されていることを特徴とする請求項１５記載のデバイス。
17. 前記有機色素は、ビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル、または、ビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケルの中から選択され、前記溶媒は、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、あるいは、ポリスチレンの溶液であることを特徴とする請求項１６記載のデバイス。
18. 前記フィルムは、液相エピタキシーにより成膜可能であることを特徴とする請求項１５記載のデバイス。
19. 前記フィルムは、前記活性固体材料の基本材料と同一の基本材料から形成され、Ｃｒ^４＋あるいはＥｒ^３＋イオンでドーピングされていることを特徴とする請求項１８記載のデバイス。
20. 前記マイクロレーザーは、能動的にスイッチングされることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
21. 前記活性レーザー媒質は、入力ミラーと中間ミラーとの間に第１共振キャビティを形成し、第２材料は、前記中間ミラーと出力ミラーとの間に第２共振キャビティを形成し、前記第２材料の光学的インデックスは、外部擾乱により変調可能であり、レーザービームサイズ縮小手段が、前記第１共振キャビティの入力部分に配置され、前記２つのキャビティおよび２つのレーザービームサイズ縮小手段からなる集合体は、一体化されていることを特徴とする請求項２０記載のデバイス。
22. 前記縮小手段は、前記マイクロレーザーのポンピングビームが通過することになる前記活性レーザー媒質の面上にマイクロミラーを備えて作製された凹面ミラーにより構成されていることを特徴とする請求項２１記載のデバイス。
23. 前記出力ミラーは、前記第２材料の出力面上にマイクロミラーを備えて作製された凹面ミラーであることを特徴とする請求項２１記載のデバイス。
24. 前記活性レーザー媒質、および、２つのミラーは、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティを形成し、該キャビティは、光学的安定限界にあり、該キャビティを光学的に不安定な状態から光学的に安定な状態へと移行させるように、該キャビティの光学長さを変化させる手段が設けられていることを特徴とする請求項２０記載のデバイス。
25. 前記キャビティは、半球状、共焦、同中心、あるいは、球状キャビティであることを特徴とする請求項２４記載のデバイス。
26. 前記キャビティは、光学長さが可変である第２材料を有していることを特徴とする請求項２４記載のデバイス。
27. 前記キャビティの光学長さを変化させる前記手段は、前記第２材料の前記長さを変化させるための手段を備えていることを特徴とする請求項２６記載のデバイス。
28. 前記材料は、前記活性レーザー媒質、および、異なる光学的インデックスを有する前記第２材料から構成され、前記キャビティの光学長さを変化させる前記手段は、前記第２材料の光学的インデックスを変化させる手段を備えていることを特徴とする請求項２６記載のデバイス。
29. 前記第２材料は、電気光学材料であることを特徴とする請求項２６記載のデバイス。

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