JP4233366B2 - 光ポンピング可能な垂直エミッタを有する面発光半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンピングビーム源によって光ポンピング可能な垂直エミッタを有する面発光半導体レーザ装置に関し、ここで上記の垂直エミッタは、ビームを形成する活性層と、外部の共振器とを有する。
【０００２】
【従来の技術】
光ポンピング面発光半導体レーザ装置は、例えば、ＵＳ５９９１３１８から公知である。ここにはモノリシックの面発光半導体層構造を有する、光ポンピング垂直共振半導体レーザが記載されている。形成されるレーザビームの波長よりも短い波長を有する光ポンピングビームは、この装置において、エッジ放出半導体レーザダイオードによって形成され、ここでこれは外部に設けられており、ポンピングビームが前方斜め方向から面発光半導体層構造の増幅領域に入射する。
【０００３】
このような装置ではポンピング光源を極めて精確に面発光半導体層構造に配向しなければならない。また付加的には通例、ビームを集束する光学装置が必要である。
【０００４】
公開公報ＤＥ１００２６７３４Ａ１においてこのために提案されているのは、光ポンピング面発光半導体レーザ装置において、ビームを形成する量子井戸構造（Quantentopfstruktur）およびエッジ放出半導体構造を共通の基板にエピタキシャル成長させることである。個々の半導体層の層厚は、このエピタキシーにおいて極めて精確に調整することができるため、有利にも、ビームを形成する量子井戸構造に対して、エッジ放出半導体構造を極めて高い精度で位置決めすることができるのである。
【０００５】
ＤＥ１００２６７３４Ａ１に記載された半導体レーザ装置では、放出されるビームの変調は、例えばポンプ電流の変調によりポンピングレーザを用いて、または面発光半導体レーザ層列の短絡接続によって行うことができる。しかしながらこの方式の変調は、ワット領域の光ポンピング出力を有する高出力レーザにおいては、通例数アンペアの領域である比較的大きなポンプ電流に起因して、種々の障害が発生してしまう。このような障害は、殊に高速の変調、例えばレーザプロジェクションの際に必要である高速の変調の際に発生し得るのである。
【０００６】
【特許文献１】
ＵＳ５９９１３１８
【特許文献２】
ＤＥ１００２６７３４Ａ１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の半導体レーザ装置を発展させて、出力パワーの高速な変調が可能であるようにすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明により、請求項１の特徴部分に記載された特徴的構成を有する面発光半導体レーザ装置によって解決される。本発明の別の実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明のポンピングビーム源によって光ポンピング可能な垂直エミッタを有する面発光半導体レーザ装置では、面発光半導体レーザ装置の出力パワーを変調する少なくとも１つの変調ビーム源が設けられており、この変調ビーム源は、ビーム形成活性層を有するエッジ放出半導体構造を含んでおり、変調ビーム源を配置して、動作中にこの変調ビーム源により、上記の垂直エミッタのビーム形成活性層に入力結合されかつ上記ポンピングビーム源によって形成される反転分布をこのビーム形成活性層にて少なくとも部分的に減少させるビームが放出されるようにする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、垂直エミッタの活性層におけるキャリア反転を変調ビーム源のビームによって制御して減少させ、また極端な場合には完全に消滅させるというアイデアに基づいている。反転分布を低減させると、垂直エミッタの出力パワーも相応に低減される。ここでは反転分布の減少に対して、比較的わずかな変調出力だけしか必要でなく、ひいては高速に変化し得る小さな変調電流だけしか必要でないのである。
【００１１】
この半導体レーザ装置の有利な実施形態では、変調ビーム源のエッジ放出半導体構造の活性層と、垂直エミッタの活性層とが同じ構造および／または同じ構成を有しており、および／または同じ材料から構成される。このことにより、垂直エミッタと変調ビーム源とを一緒に作製することができかつ同時につぎが保証される。すなわち、変調ビームが効果的に垂直エミッタの反転分布に結合できることが保証されるのである。その理由はそのエネルギーが、まさに垂直エミッタの活性層におけるエネルギーギャップに相応するからである。２つの活性層が同じであると殊に有利である。
【００１２】
ここで有利であるのは、変調ビーム源のエッジ放出半導体構造の活性層が動作時に、垂直エミッタの活性層と同じ波長でビームを送出することである。
【００１３】
この関連で本発明の半導体レーザ装置において有利に行われるのは、変調ビーム源のエッジ放出半導体構造と、垂直エミッタとをエピタキシーにより共通の基板で成長させることである。このエピタキシーにより個々の半導体層の層厚を精確に調整することができ、このことから垂直エミッタの活性層に対して、変調ビーム源のエッジ放出半導体構造を高い精度で位置決めすることができる。
【００１４】
例えば有利にも変調ビーム源のエッジ放出半導体構造の活性層と、垂直エミッタの活性層とが並び合って同じ高さに配置することができるため、変調ビーム源は、動作時に側方の垂直エミッタの活性層にビームを送出する。
【００１５】
本発明の１実施形態では、２つまたはそれ以上の変調ビーム源が、垂直エミッタの周りに配置され、これによって動作時に垂直エミッタの活性層にビームが送出されるため、垂直エミッタの活性層を横断面の全体にわたって高速かつ均一に変調することができる。
【００１６】
高い変調効率は、レーザビームを変調ビームとして形成する本発明の半導体レーザ装置の有利な実施形態において、つぎのようにすることにより達成可能である。すなわち、垂直エミッタの対向する面に配置された２つずつの変調ビーム源が、半導体装置の出力を変調するレーザ構造体を一緒に構成することによって達成可能である。このためには例えば変調ビーム源の端面をミラー面として構成し、ここでこれは例えば劈開またはエッチングによって形成され、パッシベーション層を有しており、および／または高反射性に鏡面化（Verspiegeln）されている。この場合、動作時には互いに対向する変調ビーム源は、ただ１つのコヒーレントに振動するレーザに結合される。
【００１７】
本発明の有利な１実施形態では、変調ビーム源のエッジ放出半導体構造の活性層が第１および第２の導波層の間に挿入され、ここでこれらの層自体は、第１および第２のクラッド層の間に挿入することができる。
【００１８】
ポンピングビーム源は本発明において外部のビーム源として設けることができる。しかしながら有利にはこのポンピングビーム源も同様に垂直エミッタの基板に配置され、例えばエピタキシー成長される。このように構成された光ポンピング半導体装置の優れた点は、殊にコンパクトなモノリシック構造を有することである。
【００１９】
この際に有利であるのは、ポンピングビーム源のエッジ放出半導体構造の活性層と、垂直エミッタの活性層とが並び合って同じ高さに配置される場合であり、これによってポンピングビーム源は、動作時に側方の垂直エミッタの活性層にビームを送出する。
【００２０】
ポンピングビーム源のエッジ放出半導体構造は、本発明の半導体レーザ装置の有利な実施形態において、垂直エミッタの活性層とは異なる活性層を有し、ここで殊にポンピングビーム源の活性層は、垂直エミッタの活性層より短い波長で発光する。
【００２１】
短時間でかつ均一に垂直エミッタの活性層をその横断面全体にわたってポンピングするため、有利には２つまたはそれ以上のポンピングビーム源を垂直エミッタの周りに配置して、動作時に垂直エミッタの活性層にビームが送出されるようにする。
【００２２】
高いポンピング効率は有利にはつぎのようにすることによって達成される。すなわち、垂直エミッタの対向する面に設けられた２つずつのポンピングビーム源が、レーザビームによる光ポンピングを行うレーザ構造体を一緒に構成することによって達成されるのである。
【００２３】
本発明の半導体レーザ装置の有利な発展形態では、ポンピングビーム源は少なくとも１つのリングレーザを有しており、ここで垂直エミッタの活性層は有利にはこのリングレーザの共振器内に配置されている。例えばこのリングレーザの共振器は、リング状に閉じられた導波器によって構成することができる。
【００２４】
別の有利な発展形態においてポンピングビーム源のエッジ放出半導体構造は、第１および第２の導波層の間に挿入された活性層を有しており、これ自体は第１および第２のクラッド層の間に挿入することが可能である。
【００２５】
ポンピングビーム源の活性層と、垂直エミッタの活性層とが並び合って同じ高さで配置される代わりに本発明ではつぎのようにすることも可能である。すなわち、垂直エミッタの活性層と、ポンピングビーム源とを重ねて配置し、垂直エミッタの活性層がポンピングビーム源のエッジ放出半導体構造に光結合され、これによってポンピングビーム源のビームが動作時に垂直エミッタの活性層に導かれるようにすることも可能である。
【００２６】
これは例えばつぎのようにして達成可能である。すなわち、ポンピングビーム源のエッジ放出半導体構造が、第１および第２の導波層の間に挿入された活性層を有し、かつ垂直エミッタの活性層がこれらの導波層のうちの１つにデポジットされ、これによって、ポンピングビーム源のエッジ放出半導体構造において形成されたビームの少なくとも１部分が、垂直エミッタの活性層に導かれるようにすることによって達成可能である。
【００２７】
すべての実施形態において、共通の成長基板（Aufwachssubstrat）の厚さは、ビーム損失を低減するためにエピタキシーステップの後、有利には１００μｍ以下に減少させるか、または完全に除去することができる。この基板を完全に除去しない場合、この基板は有利には、垂直エミッタにおいて形成されるビームに対して透過性を有する材料を含む。
【００２８】
基板とは反対側の垂直エミッタの面には有利には、共振器ミラー層、例えば分布ブラッグ反射器がデポジットされる。
【００２９】
第２の共振器ミラーとして、第２の内部の共振器ミラーを設けることが可能であり、これは第２の共振器ミラー層によって構成されており、この共振器ミラー層は基板と垂直エミッタの活性層との間に配置される。
【００３０】
択一的には垂直エミッタの共振器の第２の共振器ミラーを、外部のミラーによって構成することができる。この択一的な実施形態が殊に有利であるのは、垂直エミッタの共振器に周波数変換のための素子、例えば周波数ダブラーが配置される場合である。このために共振器に非線形光学結晶を配置して周波数変換を行うことができる。周波数変換されたビームの出力パワーは、垂直エミッタの出力パワーに非線形に依存するため、この場合この変調に対して変調ビーム源の殊にわずかな変調電流で十分なのである。
【００３１】
本発明は、１００ｍＷ以上の出力パワー、有利には２００ｍＷ以上の出力パワー、殊に有利には５００ｍＷ以上の出力パワーに対して設計された半導体レーザ装置に対して殊に有利であり、ここでは上記の変調ビーム源により、半導体レーザ装置の出力の高速な変調が可能である。
【００３２】
垂直エミッタおよび／または変調ビーム源および／またはポンピングビーム源は有利にはInGaAlAs，InGaN，InGaAsPまたはInGaAlPをベースに構成される。
【００３３】
本発明の別の有利な１実施形態では、垂直エミッタおよび／または変調ビーム源および／またはポンピングビーム源は、化合物In_ｘAl_ｙGa_{１ - ｘ - ｙ}As，In_ｘAl_ｙGa_{１ - ｘ - ｙ}N，In_ｘGa_{１ - ｘ}As_ｚP_{１ - ｚ}またはIn_ｘGa_ｙAl_{１ - ｘ - ｙ}Pのうちの少なくとも１つを含んでおり、ここで各化合物に対して0≦x≦1，0≦y≦1，0≦z≦1および0≦x+y≦1が成り立つ。
【００３４】
本発明の別の有利な実施形態、特徴および詳細は、従属請求項、実施例の説明をおよび図面に記載されている。
【００３５】
【実施例】
本発明を以下、実施例に基づき、図１〜９に関連して詳しく説明する。
【００３６】
図１には、本発明の実施例による光ポンピング面発光半導体レーザ装置１０の平面図が示されている。垂直方向の構造は線Ａ−Ａに沿った断面図で図２に示されている。例示的にこの半導体レーザ装置は１０３０ｎｍの発光に対して設計されている。
【００３７】
図１および２に関連して、断面が正方形である裏面発光垂直エミッタ２０は、量子井戸構造のビーム放出活性層１４を有する。この実施例では垂直エミッタ２０は、ドーピングされていないInGaAs-井戸からなる２重量子井戸構造を含んでおり、その幅は、まさに目標とする１０３０ｎｍの発光が行われるように選択されてされている。
【００３８】
活性層１４は、ドーピングされていない第１のAl_ｚGa_{１ - ｚ}As-層１６と、ドーピングされていない第２のAl_ｚGa_{１ - ｚ}As-層１８との間に挿入されており、以下でストライプレーザ３０に関連して説明するように、これらは導波層として使用される。導波層１６および１８は、ｎドーピングされたAl_ｙGa_{１ - ｙ}As閉込め層２２およびｐドーピングされたAl_ｙGa_{１ - ｙ}As閉込め層２４に区切られている。閉込め層２２，２４それ自体は、Al_ｘGa_{１ - ｘ}Asからなる高濃度のドーピングされたｎコンタクト層２６と、Al_ｘGa_{１ - ｘ}Asからなる０．１〜０．２μｍの厚さの高濃度にドーピングされたｐコンタクト層２８との間に挿入されている。ここでこれらの層のアルミニウム含有量に対して関係式ｘ＜ｙおよびｙ＜ｚが成り立つ。高濃度にドーピングされたｐコンタクト層２８による吸収損失を垂直エミッタ２０において最小化するため、このコンタクト層は有利には定在波領域の波節に配置される。
【００３９】
垂直エミッタ２０は、この実施例では、それ自体図示されていないポンピングビーム源によって外部からポンピングされ、そのポンピングビーム（矢印３８）は公知のように垂直エミッタ２０の活性層１４において反転分布を形成する。
【００４０】
垂直エミッタ２０の上側に配置される共振器ミラー３６と、概略的にだけ示した外部の共振器ミラー４０とは、垂直エミッタ２０の共振器を構成し、ここで垂直方向のビーム（矢印３４）が伝播される。外部の共振器ミラー４０は、例えば、部分透過性の偏向ミラーを介して内部の共振器ミラー３６と結合することも可能であり、これはについては以下で図６の説明において述べる。
【００４１】
共振器ミラー３６はこの実施例では、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ＝distributed Bragg reflector）の形態の端部ミラーとして構成されており、ここでこれは、例えば、ドーピングされていないAl_０．１Ga_０．９AlおよびAl_０．９Ga_０．１Alからなる３０の周期を有し、反射率は０．９９より大である。外部のミラーは、出力結合ミラーとして部分透過性を有することが可能である。
【００４２】
垂直エミッタ２０と並んでかつ２つの側においてこれに接して、２つのストライプレーザ３０が配置されている（図１）。これらは垂直エミッタ２０に対する変調ビーム源として機能する。ストライプレーザ３０の活性層１４は、垂直エミッタ２０の活性層１４と同じであり、成長時にはこれと同時に、１つにまとまった層の列として成長基板にデポジットされる。ここでこの成長基板は、図２ではすでに除去されている。
【００４３】
ミラー構造４２と、導波層１６および１８とによって、ストライプレーザ３０はエッジ放出の半導体構造を構成し、これは垂直エミッタ２０の活性層１４にビームを送出する（矢印３２）。
【００４４】
ストライプレーザ３０は垂直エミッタ２０と同じ活性層の列を有するため、これは同じ波長で発光する。したがって変調ビーム３２が入射する（einstrahlen）することにより、垂直エミッタの活性層１４におけるキャリア反転が減少する、すなわち小さな値まで減少するまたは完全に消滅することが可能である。反転分布が減少ることにより、垂直エミッタ２０の出力パワーが相応に低減される。ここでは反転分布の減少に対して、変調ビーム源の大きな出力パワーは不要であり、したがってわずかな変調電流しか必要としない。
【００４５】
全体として変調ビーム源３０と垂直エミッタ２０とからなる組み合わせによって、高出力のコンパクトな面発光レーザ源が得られ、このレーザ源によって、高いビーム品質と容易な変調とが結びつけられるのである。
【００４６】
エッジ放出ストライプレーザ３０に対する電流供給は、図２の実施例においてｐ側からレーザストライプ３０にデポジットされるｐコンタクト４４を介して、またｎ側から、エッチング除去（Freiaetzung）後にｎコンタクト層２６にデポジットされるｎコンタクト２７を介して行われる。択一的には、半導体レーザ装置１０のｐ側が下に取り付けられている実施形態ではｎコンタクトを薄いｎ基板において行うことができるため、高濃度にドーピングされるｎコンタクト層を層構造に入れる必要はない。
【００４７】
ビーム損失を低減するため、成長基板は、エピタキシーステップの後、例えば１００μｍ以下に薄くされるかまたは完全に除去される。図２および４には基板が完全に除去された半導体レーザ装置が、または図５には基板１２が約８０μｍに薄くされた実施例が示されている。
【００４８】
ポンピングビーム源がモノリシックに垂直エミッタ２０と共に基板上で集積される本発明の別の実施例を、以下、図３および４に関連して説明する。ここでも図３は平面図を、図４は線Ｂ−Ｂに沿った断面図を示している。
【００４９】
図３の平面図には光ポンピングされる面発光半導体レーザ装置が示されており、これは図１の半導体レーザ装置と同様に１０３０ｎｍの発光に対して設計することが可能である。ここでは正方形の断面を有する裏面発光垂直エミッタ２０の両側に２つのストライプレーザ３０が配置されている。この実施例の構造はここまでは図１に関連して説明した実施例と同じである。
【００５０】
図３の実施例では付加的に、２つのポンピングビーム源５０が垂直エミッタ２０の両側に配置されているが、これらは変調ビーム源３０の軸に対して垂直な方向に配置されている。図４の線Ｂ−Ｂに沿った断面からわかるようにポンピングビーム源５０は、エッジ放出半導体レーザ構造によって、例えば、約１０００ｎｍの発光に対してそれ自体公知であるＬＯＣ−ＳＱＷ（Large Optical Cavity - Single Quantum Well）レーザ構造によって構成される。
【００５１】
このＬＯＣ−ＳＱＷ構造は、この実施例において、ｎ−GaAl_０．６５Asからなる第１のクラッド層５８と、ｎ−GaAl_０．１Asからなる第１の導波層５４と、ドーピングされていないInGaAs-ＳＱＷを含む活性層５２と、ｐ−GaAl_０．１Asからなる第２の導波層５６と、ｐ−GaAl_０．６５Asからなる第２のクラッド層６０とから構成される。
【００５２】
第２のクラッド層６０にはｐ^＋ドーピングされたGaAs層をカバー層としてデポジットすることができる。このカバー層のむき出しの表面には電気的に絶縁されたマスク層１００、例えばシリコン窒化物層、アルミニウム酸化物層またはシリコン酸化物層がデポジットされ、これらの切欠き部（Aussnehmung）により、ポンピングビーム源５０の電流注入路が決定される（図３，７および８も参照されたい）。マスク層１００に、またカバー層における、電流注入路に対する当該マスクの凹部（Aussparung）にｐコンタクト層６８、例えば公知のコンタクトメタライゼーションがデポジットされる。第１のクラッド層５８の下側にはｎコンタクト６６が設けられる。
【００５３】
この半導体レーザ装置の動作時には、ｎコンタクト６６およびｐコンタクト６８とによって定められる、ポンピングビーム源のエッジ放出半導体構造の領域において、ポンピングビーム（矢印６４）が形成され、垂直エミッタ２０の活性層１４に入力結合される。このためにこの実施例では、ポンピングビーム源５０の活性層５２は、垂直エミッタの活性層１４と同じ高さで配置されており、これによってこのポンピングビーム源は活性層１４に直接ビームを送出する。
【００５４】
ポンピングビーム源５０の外縁部の近くには、垂直に延在する端部ミラー６２が配置されている。これらは例えば、ポンピングビーム源５０を成長させた後、トレンチを相応にエッチングし、引き続いて高反射性の材料で充填することによって作製可能であり、またはこれらの端部ミラーは公知のように結晶面に沿ってウェーハを劈開することに作製可能である。この場合、これらはチップに配置する必要はなく、劈開されたチップ側面によって形成されるのである。この択一的な実施例は、図４に示した実施例において実現されている。
【００５５】
ポンピングビーム源５０と垂直エミッタ２０との間の境界面７０における反射が十分であり、かつ端部ミラー６２の位置が適切であれば、ポンピングビーム源５０においてレーザビームが形成されてポンピング効率が向上する。
【００５６】
この実施例では端部ミラー６２は互いに配置されて、これらが、互いに対向するポンピングビーム源５０に対するレーザ共振器を構成するようにされている。これらの対向する２つのポンピングビーム源５０は、垂直エミッタ２０の活性層がポンピングされてこれがこのポンピングビームに対して十分に透明であるようにされた後、コヒーレントに振動するレーザに結合される。端部ミラーまたは端面６２が最適に鏡面化される場合、境界面７０における損失を除いて、ポンピングレーザ５０，５０によって形成された光出力全体が、ポンピング出力として利用可能である。
【００５７】
図３に示した半導体レーザ装置を作製する際には、別個の２つのエピタキシーステップが実施される。最初に第１のエピタキシーステップにおいて垂直エミッタ２０およびストライプレーザ３０を所定の半導体層と共に共通の基板において成長させる。つぎにポンピングビーム源５０を成長させたい領域において、これらのエピタキシー層を基板までエッチング除去し、ポンピングビーム源５０のエピタキシー層を第２のエピタキシーステップにおいて成長させる。引き続きエッチングマスクにより、垂直エミッタ２０の領域と、第２のエピタキシーステップによってデポジットされたポンピングビーム源５０の領域とが保護され、ストライプレーザ３０の領域が、高濃度にドーピングされたｐコンタクト層までエッチング除去される。最終的に、垂直エミッタ２０の領域において交わる、このようにして露出されたストライプ状の領域に、変調ストライプレーザ３０に対するｐメタライゼーションがデポジットされる。最後にこの成長基板は、ビーム損失を低減するために上記のように薄くされるかまたは完全に除去される。
【００５８】
図５には、図３に示した光ポンピング半導体レーザ装置に対するポンピングビーム源の択一的な実施形態が示されており、これは図３の線Ｂ−Ｂに沿って図示されている。
【００５９】
図５の実施例ではポンピングビーム源８０は、垂直エミッタ２０と同じ高さではなく、これよりも下に配置されている。図５に示したように、基板１２にまず完全に平坦な銅層８８およびエッジ放出半導体レーザ構造８５がデポジットされ、ここでは第１の導波層８４と第２の導波層８６との間に活性層８２が配置されている。エッジ放出半導体レーザ構造８５の端部ミラーとして、この実施例では半導体基体の劈開面９８を使用する。
【００６０】
垂直エミッタ２０は、基板１２の中央で第２の導波層８６に、活性層１４と、これにデポジットされた閉込め層２４と、ブラッグミラー層列３６と共に成長させられる。
【００６１】
ポンピングビーム源８０の活性層８２と、垂直エミッタ２０の活性層１４との光結合は、ここでは導波層８６を介して行われ、これは、ポンピングビーム源８０で形成されるビームの一部を活性層１４にまで導く。この入力結合を改善するため、活性層８２は、２つの導波層８４および８６によって構成される導波器において非対称に配置される。択一的または付加的には同じ目的のため、第２の導波層８６の屈折率を第１の導波層８４の屈折率よりも大きくすること、および／または第２の導波層８６を活性層１４に向かって漸次に高くすることが可能である。
【００６２】
垂直エミッタ２０の周りの領域では、第２の導波層８６または場合によってはこれにデポジットされ高濃度にドーピングされたカバー層に電気絶縁性のマスク層１００がデポジットされる。これはエッジ放出構造８５に対する電流注入路用の切欠き部を有する（図３）。電気絶縁性のマスク層１００と、第２の導波層８６ないしはカバー層におけるその切欠き部とには第１のコンタクト層９２が設けられ、基板１２のこれに対向する側には、レーザビーム（矢印３４）に対する出射窓９４を有する第２のコンタクト層９０がデポジットされる。ここでは基板１２は、変調ビーム源３０を成長させた後、約８０μｍの厚さに薄くされる。
【００６３】
図６には、外部の共振器ミラー１１０を有する本発明の半導体レーザ装置の動作が示されている。ここでは垂直エミッタ２０から放出されたレーザビームは、周波数選択素子１１４を通過し、偏向ミラー１１２を介して、非線形光学結晶１１６を通り、外部の共振器ミラー１１０に導かれる。ここでは非線形光学結晶１１６において公知のようにレーザビームの一部が２倍の周波数のビームに変換される。ここで偏向ミラー１１２の反射率は、周波数が２倍にされたビーム１２０が偏向ミラー１１２において出力結合されるように変更される。周波数選択素子１１４により、垂直エミッタ２０の基本周波数だけが戻ることが保証される。
【００６４】
この周波数変換に起因して、周波数が２倍にされたビーム１２０の出力パワーは、垂直エミッタ２０の出力パワーに非線形に依存するため、この場合、変調に対して変調レーザ３０の殊に低い変調電流で十分である。
【００６５】
図７には本発明の半導体レーザ装置の別の実施例が示されており、ここでは４つの変調ビーム源３０と、４つのポンピングビーム源５０とが交互に星形に垂直エミッタ２０の周りに配置されている。これにより、ポンピングビームも変調ビームも共に垂直エミッタの活性層に均一に配置される。
【００６６】
図８ａおよび８ｂに示されているように付加的にすべての実施例において垂直エミッタ２０のエッチング構造および／または縁部領域において吸収層１３０または１３２を配置することができる。これらの吸収層によって、障害となる縦モード、すなわち基板に対して平行に走行するモードが抑圧される。
【００６７】
図９に示した本発明の実施例では、半導体レーザ装置に対するポンピングビーム源はリングレーザの形態で構成されている。ここでは半導体層の順番は、図２ないしは４に示した実施例に相応する。この平面図においてポンピングリングレーザ１４０は、４方向に回転対称である８角形ならびに正方形の中央の切欠き部１４２を有する。図９の平面図において円形を有する、ポンピングされる垂直エミッタ２０は、このようにして構成された８角形の完全にリング内に配置される。この８角形のリングは、全反射性の閉じられた導波器の形態でリング共振器を構成する。動作時にはこの導波器において周期的に回転してリングモードの振動が行われる。ここではこれらのリングモードのうちの１つが参照符号１４４で例示的に示されている。外側の面における全反射のため、出力結合損失はこの実施例においては極めてわずかであり、したがって有利にも共振器内部の全ビーム領域が垂直エミッタ２０のポンピングに利用可能である。
【００６８】
２つのストライプレーザ３０が垂直エミッタ２０の対向する個所に配置されており、ここでは一方のストライプレーザ３０が８角形リングの切欠き部１４２に配置されている。ストライプレーザ３０の端部ミラー４２は、図１において詳述したのと同様に、対向する一対のストライプレーザ３０に対するレーザ共振器を構成する。
【００６９】
上記の構造は、例示的に使用したInGaAlAsシステムだけで使用できるのではなく、例えばInGaN，InGaAsPまたはInGaAlPシステムでも使用可能である。
【００７０】
説明、図面ならびに請求項に示した本発明の特徴は、個別にもまた考え得る任意の組み合わせにおいても本発明の実現に対して実質的なものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による光ポンピング面発光半導体レーザ装置の概略平面図である。
【図２】図１の半導体レーザ装置の線Ａ−Ａに沿った概略断面図である。
【図３】本発明の別の実施例による光ポンピング面発光半導体レーザ装置の概略平面図である。
【図４】図３の半導体レーザ装置の線Ｂ−Ｂに沿った概略断面図である。
【図５】図３の半導体レーザ装置の択一的な構成における、線Ｂ−Ｂに沿った概略断面図である。
【図６】外部の共振器を有する本発明の半導体レーザ装置の概略図である。
【図７】本発明の別の実施例による光ポンピング面発光半導体レーザ装置の概略平面図である。
【図８Ａ】本発明の別の実施例による、吸収層を有する半導体レーザ装置の概略平面図である。
【図８Ｂ】吸収層を有する別の半導体レーザ装置の概略平面図である。
【図９】ポンピングビーム源としてのリングレーザを有する、本発明の別の実施例による半導体レーザ装置の概略平面図である。
【符号の説明】
１０ 光ポンピング面発光半導体レーザ装置
１４ 活性層
１６ ドーピングされていない第１のAl_ｚGa_{１ - ｚ}As-層（導波層）
１８ ドーピングされていない第２のAl_ｚGa_{１ - ｚ}As-層（導波層）
２０ 裏面発光垂直エミッタ
２２ ｎドーピングされたAl_ｙGa_{１ - ｙ}As閉込め層
２４ ｐドーピングされたAl_ｙGa_{１ - ｙ}As閉込め層
２６ Al_ｘGa_{１ - ｘ}Asからなる高濃度のドーピングされたｎコンタクト層
２７ ｎコンタクト
２８ Al_ｘGa_{１ - ｘ}Asからなる高濃度のドーピングされたｐコンタクト層
３２ 変調ビーム
３６ 共振器ミラー
４０ 外部の共振器ミラー
４２ ミラー構造
４４ ｐコンタクト
５０ ポンピングビーム源
５２ ドーピングされていないInGaAs-ＳＱＷを含む活性層５２
５４ ｎ−GaAl_０．１Asからなる第１の導波層
５６ ｐ−GaAl_０．１Asからなる第２の導波層
５８ ｎ−GaAl_０．６５Asからなる第１のクラッド層
６０ ｐ−GaAl_０．６５Asからなる第２のクラッド層
６２ 端部ミラー（端面）
６６ ｎコンタクト
６８ ｐコンタクト層
７０ ポンピングビーム源５０と垂直エミッタ２０との間の境界面
８０ ポンピングビーム源
８２ 活性層
８４ 第１の導波層
８５ エッジ放出半導体レーザ構造
８６ 第２の導波層
８８ 銅層
９０ 第２のコンタクト層
９２ 第１のコンタクト層
９４ 出射窓
９８ 劈開面
１００ マスク層
１１０ 外部の共振器ミラー
１１２ 偏向ミラー
１１４ 周波数選択素子
１１６ 非線形光学結晶
１２０ 周波数が２倍にされたビーム
１３０，１３２ 吸収層
１４０ ポンピングリングレーザ
１４２ 切欠き部
１４４ リングモード

Claims (29)

1. 光ポンピング可能な垂直エミッタ（２０）を有する面発光半導体レーザ装置であって、
   前記垂直エミッタ（２０）は、ビームを形成する活性層（１４）と、共振器を構成する内部の共振器ミラー（３６）および外部の共振器ミラー（４０）とを有している形式の面発光半導体レーザ装置において、
   前記の垂直エミッタ（２０）を光ポンピングする少なくとも１つのポンピングビーム源（５０）と、
   該ポンピングビーム源（５０）とは異なる少なくとも１つの変調ビーム源（３０）とが設けられており、
   該変調ビーム源（３０）により、面発光形半導体レーザ装置の出力パワーが変調され、
   該変調ビーム源（３０）には、ビームを形成する活性層を有するエッジ放出半導体構造（１５）が含まれており、
   当該変調ビーム源（３０）を配置して、
   動作時に当該変調ビーム源（３０）により、ビームが放出され、
   該ビームが前記垂直エミッタ（２０）のビームを形成する活性層（１４）に入力結合され、
   当該のビームを形成する活性層にて、前記ポンピングビーム源によって形成された反転分布が少なくとも部分的に減少されるようにしたことを特徴とする、
   面発光半導体レーザ装置。
2. 前記の垂直エミッタ（２０）のビームを形成する活性層（１４）と、変調ビーム源（３０）のエッジ放出半導体構造（１５）のビームを形成する活性層とは、同じ構成を有するかまたは同じ材料から形成されている、
   請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記の変調ビーム源（３０）のエッジ放出半導体構造（１５）の活性層（１４）は、動作時にビームを放出し、
   当該ビームの波長は、前記の垂直エミッタ（２０）によって形成されるビームの波長に等しい、
   請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記の変調ビーム源（３０）のエッジ放出半導体構造（１５）と、垂直エミッタ（２０）とは共通の基板（１２）に配置されている、
   請求項１から３までのいずれか１項の半導体レーザ装置。
5. 前記の変調ビーム源（３０）のエッジ放出半導体構造（１５）および垂直エミッタ（２０）は、共通の基板（１２）にてエピタキシャル成長されており、
   当該基板はエピタキシーの後、薄くされるかまたは完全に除去される、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記基板（１２）は、前記垂直エミッタ（２０）によって形成されるビームに対して透過性を有する、
   請求項４または５に記載の半導体レーザ装置。
7. 前記の変調ビーム源（３０）のエッジ放出半導体構造（１５）の活性層（１４）および垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）は並び合って配置されており、これによって変調ビーム源（３０）は動作時に側方に、垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）の層面に対して平行に、前記の垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）にビームを送出する、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
8. ２つまたはそれ以上の変調ビーム源（３０）が前記垂直エミッタ（２０）の周りに配置されており、
   該変調ビーム源はそれぞれ動作時に垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）にビームを送出する、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
9. 前記の垂直エミッタ（２０）の対向する側面に配置された２つずつの変調ビーム源（３０）は、半導体レーザ装置の出力パワーを変調するレーザ構造体を一緒に構成する、
   請求項８に記載の半導体レーザ装置。
10. 前記の変調ビーム源（３０）のエッジ放出半導体構造（１５）の活性層（１４）は、第１の導波層（１６）と第２の導波層（１８）との間に配置されている、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
11. 前記の変調ビーム源（３０）のエッジ放出半導体構造（１５）の活性層（１４）ないしは該変調ビーム源の第１および第２の導波層（１６，１８）は、第１のクラッド層（２２）と第２のクラッド層（２４）との間に配置されている、
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
12. 前記ポンピングビーム源（５０）は、活性層（５２）を有するエッジ放出半導体構造（５５）を含んでおり、
    前記ポンピングビーム源（５０）は、前記垂直エミッタ（２０）と共に共通の基板（１２）に配置されている、
    請求項１１に記載の半導体レーザ装置。
13. 前記ポンピングビーム源（５０）は、活性層（５２）を有するエッジ放出半導体構造（５５）を含んでおり、
    該ポンピングビーム源は、前記垂直エミッタ（２０）と共に共通の基板（１２）にてエピタキシャル成長されており、
    当該基板はエピタキシーの後、薄くされるかまたは完全に除去される、
    請求項１１に記載の半導体レーザ装置。
14. 前記基板（１２）は、前記垂直エミッタ（２０）によって形成されるビームに対して透過性を有する、
    請求項１２または１３に記載の半導体レーザ装置。
15. 前記のポンピングビーム源（５０）のエッジ放出半導体構造（５５）の活性層（５２）は、第１の導波層（８４）と第２の導波層（８６）との間に配置されている、
    請求項１から１４までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
16. 前記のポンピングビーム源（５０）におけるエッジ放出半導体構造（５５）の活性層（５２）および垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）は並び合って配置されており、これによって該ポンピングビーム源（５０）が動作時に側方に、垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）の層面に対して平行に、前記の垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）にビームを送出する、
    請求項１２から１５までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
17. 前記のポンピングビーム源（５０）におけるエッジ放出半導体構造（５５）の活性層（５２）および垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）は互いに高さがズラされて配置されており、
    垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）はポンピングビーム源（８０）のエッジ放出半導体構造（８５）に光結合されており、これにより、動作時に前記ポンピングビーム源（８０）から放出されるビームが少なくとも部分的に前記の垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）に導かれる、
    請求項１２から１６までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
18. 前記の垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）と、ポンピングビーム源のエッジ放出半導体構造（８５）の活性層（８２）との間に前記の導波層（８４，８６）のうちの１つが配置されており、
    垂直エミッタ（２０）の活性層は、ポンピングビーム源（８０）のエッジ放出半導体構造（８５）に光結合されており、これにより、動作時に前記ポンピングビーム源（８０）から放出されるビームが少なくとも部分的に前記の垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）に導かれる、
    請求項１５に記載の半導体レーザ装置。
19. 前記のポンピングビーム源（５０）のエッジ放出半導体構造（５５）は、垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）とは別個の活性層（５２）を有しており、ポンピングビーム源（５０）の活性層（５２）は、垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）よりも短い波長で発光する、
    請求項１２から１８までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
20. ２つまたはそれ以上のポンピングビーム源（５０）が垂直エミッタ（２０）の周りに配置されており、
    該ポンピングビーム源により、動作時に垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）が光ポンピングされる、
    請求項１１から１９までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
21. 前記の垂直エミッタ（２０）の対向する側面に配置された２つずつポンピングビーム源（５０）は、垂直エミッタ（２０）を光ポンピングするレーザ構造を一緒に構成する、
    請求項２０に記載の半導体レーザ装置。
22. 前記ポンピングビーム源は少なくとも１つのリングレーザ（１４０）を有しており、
    垂直エミッタ（２０）の活性層（１４）は、当該リングレーザ（１４０）の共振器内部に配置されている、
    請求項１１から２１までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
23. 前記のリングレーザ（１４０）の共振器は、リング状の閉じられた導波体によって構成されている、
    請求項２２に記載の半導体レーザ装置。
24. 前記のポンピングビーム源（５０）のエッジ放出半導体構造（５５）ないしは当該ポンピングビーム源の第１および第２の導波層（５４，５６）は、第１のクラッド層（５８）と第２のクラッド層（６０）の間に配置されている、
    請求項１２から２３までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
25. 前記内部の共振器ミラー（３６）はブラッグ反射器として構成されている、
    請求項１から２４のまでのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
26. 前記の垂直エミッタ（２０）の共振器に、周波数変換素子（１６）が配置されている、
    請求項１から２５までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
27. 前記半導体レーザ装置は、１００ｍＷ以上である出力パワーに対して設計される、
    請求項１から２６までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
28. 前記の垂直エミッタ（２０）および／または変調ビーム源（３０）および／またはポンピングビーム源（５０）は、InAlGaAs，InAlGaN，InGaAsPまたはInGaAlPをベースに構成される、
    請求項１から２７までのいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
29. 前記の垂直エミッタ（２０）および／または変調ビーム源（３０）および／またはポンピングビーム源（５０）は、化合物In_ｘAl_ｙGa_{１ - ｘ - ｙ}As，In_ｘAl_ｙGa_{１ - ｘ - ｙ}N，In_ｘGa_{１ - ｘ}As_ｚP_{１ - ｚ}またはIn_ｘGa_ｙAl_{１ - ｘ - ｙ}Pのうちの少なくとも１つを含んでおり、
    ここで各化合物に対して0≦x≦1，0≦y≦1，0≦z≦1および0≦x+y≦1が成り立つ、
    請求項２８に記載の半導体レーザ装置。

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