JP4288161B2 - マルチコンポーネントレーザ - Google Patents

Description

本発明は共振器内部に配置されている１つまたは複数の、半導体レーザのポンピングされる活性領域によってレーザビームを放出するための装置に関する。

この形式のレーザは一般に公知である。その際半導体レーザは通例２つの形態において製造される。端面発光レーザダイオードでは発光はポンピングされる活性層の拡がり方向において行われかつレーザビームは活性層の端面を介して出射される。この形式のレーザダイオードでは放射品質は一般によくない。というのは端面発光レーザは１つのモードにおいて発振するのではない、つまり基本モードにおいてのみ発振するのではないので、レーザビームは広範な角度領域において放出されるからである。この問題は、活性領域が共振器の光軸を横断する方向に広く延びている端面発光レーザダイオードにおいて殊に顕著である。

端面発光レーザダイオードの他に、レーザビームがポンピングされる活性層に対して直角の方向に放出される面発光ダイオードも公知である。面発光レーザダイオードは１つには、高い電気的な抵抗を有している。それは、活性領域の両側に実現されているミラー層の制限されたドーピング能力に基づいている。確かに抵抗はとりわけ、活性領域の直径を拡大することによっても低減される。しかしこれにより一般に、レーザの作動の際一足飛びに高次モードが生じ、このために放射品質が劣化するということになる。

この従来技術から出発して本発明の課題は、高出力のレーザビームを申し分ない放射品質で放出するための装置を提供することである。

この課題は本発明によれば、活性領域が自由放射領域によって側方向のウェブガイドなしに少なくとも２つの空間的に分離されている活性領域に分割されていることによって解決される。

２つのポンピング領域の空間的な分離によって、それぞれ基本モードだけがそれぞれ別のポンピング領域に入力結合されかつこれにより増幅されるまたは基本モードが他のすべてのモードより著しく効果的に入力結合されることになる。その理由は、これらの他のモードがつぎのような立体角で放射し、すなわち、相応するポンピング領域から見た、向かい側のポンピング領域の立体角よりも著しく大きい立体角で放射し、従ってこれらの高次のモードは別のポンピング領域において増幅されないからである。すなわちこれら高次のモードは共振器循環作動当たり基本モードより僅かしか増幅されず、それ故に相応の電気的なポンピング電力ではレーザしきい値を上回ることがない。

本発明の有利な実施形態において装置は、直列のワイドストライプレーザを有し、これらレーザの共振器は終端部に配置されているワイドストライプレーザの外側に位置している鏡面によって形成されている。

ワイドストライプレーザでは高次モードが振動し始めるという問題は特別顕著である。それ故に、直接のワイドストライプレーザを相互に間隔をおいて配置して、それぞれ基本モードだけが振動し始めるかまたはこれにより高次モードの成分が著しく低減されかつこのようにして放射品質が相応に改善されることが保証されるようにする。

有利には、個々のワイドストライプダイオードレーザ間の自由放射領域に、フォーカスラインがワイドストライプレーザからのレーザビームの出射端面に沿ってある円柱レンズが配置されている。

この配置によって出射する光ビームの基本モードは最適に束化されかつそれぞれ隣接している活性領域に偏向される。

本発明の実施形態において、２つのワイドストライプレーザが１つの基板に実現されている。２つのワイドストライプレーザ間で基板中にポンピングされない領域が存在している。この領域は、高次モードがそこに欠けているラテラルな導波路に基づいて活性領域、従って増幅領域を離れることができるように選定されている。基本モードだけが、ポンピング変換されない領域を横切りかつ相対向している側において相対向しているレーザの活性領域に再び入ることができる。これにより、より高次のモードに対するしきい電流条件は非常に強く持ち上げられ、その結果ワイドストライプレーザは主要には基本モードにおいて発振する。

別の実施形態において装置は、れぞれ減反射処理されている上表面が相互に向き合って間隔をおいて配置されている２つの面発光レーザを有している。

それぞれに１つのミラーしか有していない２つの面発光レーザの使用によって、それぞれの面発光レーザの電気抵抗をほぼ半分に低減することができる。更に、面発光レーザ間の離間によって、基本モードより大きな立体角において放射される高次のモードは共振器を離れかつそれ以上増幅されないので、装置は実質的に基本モードにおいてだけ発振する。

別の有利な実施形態は従属請求項の対象である。

次に本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。その際：
図１はワイドストライプレーザの断面を見た略図であり、
図２は２つの相対向しているワイドストライプレーザを有するレーザ装置の斜視図であり、ここでワイドストライプレーザ間に存在している自由放射領域には円柱レンズが挿入されており、
図３は１つの基板に実現されている、ワイドストライプレーザ対の斜視図であり、
図４は２つの相対向している面発光レーザを備えたレーザ装置を示し、
図５は２つの相対向している面発光レーザを備えた別の変形されたレーザ装置を示し、
図６は図５のレーザ装置の別の変形されたレーザ装置の略図である。

図１に示されている、ワイドストライプレーザ１の断面図では、基板２に下側の障壁層３がデポジットされている。この障壁層３は例えば、組成Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓおよび１μｍの厚みを有している。この下側の障壁層３に下側の導波体層４が続いている。この導波体層は通例、組成Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓおよび０．５μｍの厚みを有している。ワイドストライプレーザ１によって放出される光は活性層５において生成される。この層は約１０ｎｍの厚さを有しているにすぎず、量子井戸を形成している。活性層の材料組成は放出される光の所望の波長に依存している。通例、活性層はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓから形成されており、ここで０≦ｘ≦０．３および０．０５≦ｙ≦０．３が成り立つ。活性層５の上には、上側の導波層６があり、この層は上側の障壁層７によって被覆されている。上側の導波体層６および上側の障壁層７の厚さおよび組成はそれぞれ、下側の障壁層３および下側の導波体層４の厚さおよび組成に相応している。上側の障壁層７には、ワイドストライプコンタクト８が形成されている。これは基板２の裏面に配置されている裏面側のコンタクトと一緒に活性層５に電流を供給する。その際ワイドストライプコンタクト８の空間的な拡がりが活性層５における発光する活性領域９の拡がりを決める。

図１に断面で示されているワイドストライプレーザ１は、高い電力および長い寿命によって特徴付けられている。確かに個々のワイドストライプレーザの放射品質は大抵は悪い。というのは、ワイドストライプレーザ１は１つのモードのみならず、すなわち基本モード以外のモードでも発振するので、レーザビームは広い角度領域において放出されるからである。

それ故に、少なくとも２つのワイドストライプレーザ１を間隔をおいて直列に相次いで配置して、それぞれのワイドストライプレーザ１の基本モードだけが隣接するワイドストライプレーザ１のポンピングされる活性領域９に入力結合するようにすることが提案される。高次のモードはその比較的大きな発散に基づいて隣接するワイドストライプレーザの活性領域９に部分的にしか生じずかつそれ故に基本モードと比較して僅かしか増幅されない。これにより高次モードに対するしきい電流条件は非常に高く持ち上げられるので、レーザ装置は主に基本モードにおいて発振する。

図２には、それぞれ間隔Ｌにおいて配置されている２つのワイドストライプレーザを備えた実施例が示されている。区間の長さは１μｍと１０ｍとの間であることができる。ワイドストライプレーザ１をレーザ装置に結合するために、相対向しているフェーセット１０および１１はそれぞれ、放射エネルギーに関連した、１％以下の反射率を有している。外側に存在しているファーセット１２および１３のうち少なくとも１つは９０％以上の反射率を有しておりかつ他方は例えば４０％の反射率を有している。これにより外側に位置しているファーセットは共振器を形成し、その際ファーセット１２および１３は鏡面の働きを引き受ける。

活性領域９の法線の方向、すなわち活性領域９に対して直角である方向における基本モードの発散も低減するために、円柱レンズ１４が設けられており、そのフォーカスラインは有利には、内側に位置するフェーセット１０および１１における活性領域９の出射端面に沿って延在している。円柱レンズ１４によって、回折に基づいて大きい、基本モードの発散は活性層５の法線の方向において低減されるか、または光はこの方向においてコリメートすらされる。この措置によって基本モードはほぼ完全に隣接するワイドストライプレーザ１に入力結合されかつこれにより基本モードに対するレーザしきい値は下げられる。

図３に示されているように、ワイドストライプレーザ１を共通の層構成を有する１つの共通の基板２上に実現することも考えられる。その際自由放射領域１５を腐食除去することは必ずしも必要ではない。自由放射領域において材料の吸収が低減されれば十分である。このことは例えば、自由放射領域の局所的な熱処理によって実現することができ、この熱処理によってアルミニウムが活性層５に接している導波体層４および６から活性層５に内方拡散されおよび／またはインジウムが活性層から外方拡散される。というのはこれにより活性層のバンドギャップが自由放射領域１５において高められ、その結果活性層９から放出される光子は自由放射領域１５において吸収されないからである。

図３のレーザ装置が所定の周波数においてだけ発振するようにしたい場合には、自由放射領域に周波数選択性の素子、例えばブラッグ格子１６を挿入配置すると有利である。この形式のブラッグ格子１６は当業者には周知であり、しかも本発明の対象ではない。

図４ないし図６には、レーザ装置が２つの相対向する面発光レーザ１７を有している別の実施例が図示されている。面発光レーザ１７はＶＣＳＥＬまたはＶＥＣＳＥＬとも称される。面発光レーザは裏面側のブラッグミラー１８および１９を使用することができ、そのうち１つは１００％近傍の反射率を有し、もう１つは＜９９％の領域にある反射率を有している。ブラッグミラー１８および１９には下側の中間層２０がデポジットされており、それに活性層５が続いている。活性層５は今度は上側の中間層２１によって被覆されている。ブラッグミラー１８および１９は通例、ＡｌＧａＡｓ層をベースとして形成されている。中間層２０および２１並びに活性層５は先に述べた材料系ＡｌＧａＩｎＡｓに基づいている。

面発光レーザ１７は１μｍないし１０ｍの間隔をおいて配置されている。２つの面発光レーザ１７間の大きな間隔によって、２つのブラッグミラー１８および１９によって形成される共振器に基本モードだけが導かれかつ面発光レーザ１７から大きな立体角で放出される高次のモードが共振器を離れかつそれ以上は増幅されないようになる。それ故に２つの面発光レーザ１７は、それぞれ基本モードが相対向する面発光レーザ１７の活性層５に結像されるように調整されなければならない。

図５には、自由放射領域１５において２つの面発光レーザ１７間に光学的な素子２２が挿入配置されているという別の実施例が図示されている。この光学的な素子２２は、それぞれ一方の面発光レーザ１７の基本モードがそれぞれ他方の面発光レーザ１７の活性層５に結像されることを保証するために結像特性を有していることができる。しかしこの光学的な素子２２は、レーザ装置によって生成されたビームの一部が自由放射領域１５から側方に出力結合されるようにするために用いられてもよい。この場合面発光レーザ１７はそれぞれ、ほぼ１００％の反射率を有しているブラッグミラー２３を備えているようにするとよい。

更に、図６に図示されているように、ブラッグミラー１８，１９および２３のうちの１つまたは２つは金属化層２４を備えているようにすることができることを述べておく。

面発光レーザ１７を作動するために、給電電圧が接続端子２５に印加される。

図４ないし図６に図示されている、２つの面発光レーザを備えているレーザ装置は生成されるレーザビームの放射発散が僅かであるということの他に更に、従来の面発光レーザでは通例上側の中間層２１に配置されているブラッグミラーを省略することができるという利点を有している。上側のブラッグミラーを省略することができるので、面発光レーザ１７は、従来の面発光レーザに比べてほぼ半分またはそれ以下に低減されている電気的な抵抗を有している。相応に、面発光レーザ１７において内部抵抗に基づいて発生する損失電力は小さい。

更に、別の材料系においてもレーザ装置を実現することができることを指摘しておく。青−緑波長領域でのレーザビームの放出のために例えば、ＡｌＧａＩｎＮをベースとした材料系が使用される。赤の波長領域でのレーザビームの放出のために、材料系ＩｎＧａＡｌｐおよびＧａＡｓが適している。更に、例えば系ＣｄＢｅＭｇＺｎ、ＳｅＴｅおよびＳＳｅＴｅＯから成るＩＩ−ＶＩ化合物半導体も使用できる。

ワイドストライプレーザの断面略図 ２つの相対向しているワイドストライプレーザを有するレーザ装置の斜視図 １つの基板に実現されている、ワイドストライプレーザ対の斜視図 ２つの相対向している面発光レーザを備えたレーザ装置の略図 ２つの相対向している面発光レーザを備えた別の変形されたレーザ装置の略図 図５のレーザ装置の別の変形されたレーザ装置の略図

Claims (12)

1. 共振器（１２，１３，１８，１９，２３）内に配置されている、半導体レーザのポンピングされる活性領域によってレーザビームを放出するための装置において、
   活性領域は自由放射領域（１５）によって側方向のウェブガイドなしに少なくとも２つの空間的に分離されている活性領域（９）に分割されており、
   前記の共振器（１２，１３，１８，１９，２３）の高次モードの共振器循環作動当たりの増幅が、当該共振器（１２，１３，１８，１９，２３）の基本モードの共振器循環作動当たりの増幅よりも小さくなるようにするため、ポンピングされる活性領域（９）が、別のポンピングされる活性領域（９）から見て十分に小さな立体角をなすようにし、
   高次モードに対するしきい電流条件を基本モードに対するしきい電流条件よりも高くしたことを特徴とする装置。
2. 少なくとも２つの少なくとも片側が減反射処理されている半導体レーザ（１，１７）が直列に配置されており、ここで共振器は直列配置されている半導体レーザ（１，１７）の終端部にある外側に位置しているミラーエレメント（１２，１３，１８，１９，２３）によって形成されている、
   請求項１記載の装置。
3. 半導体レーザは、それぞれ減反射処理されている上表面が相互に向き合って間隔をおいて配置されている２つの面発光レーザ（１７）である、
   請求項２記載の装置。
4. 半導体レーザは、それぞれ減反射処理されている端面が相互に向き合って間隔をおいて配置されている２つのワイドストライプレーザ（１）である、
   請求項２記載の装置。
5. ２つのワイドストライプレーザ（１）は１つの基板（２）に実現されている、
   請求項４記載の装置。
6. 半導体レーザ（１，１７）は光軸が相互に平行に配向されている、
   請求項２から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 半導体レーザ（１，１７）は１μｍおよび１０ｍ間の間隔をおいて配置されている、
   請求項２から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 周波数選択性素子（１４，１６，２２）が自由放射領域（１５）に配置されている、
   請求項２から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 周波数選択性素子はブラッグ格子（１６）である、
   請求項８記載の装置。
10. 自由放射領域（１５）に結像光学素子（１４）が配置されている、
    請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 前記の半導体レーザは、２つのワイドストライプレーザ（１）であり、
    該ワイドストライプレーザ（１）はそれぞれ減反射処理されている端面が相互に向き合って間隔をおいて配置されており、
    自由放射領域（１５）に結像光学素子（１４）が配置されており、
    該結像光学素子は、フォーカスラインがワイドストライプレーザ（１）の活性領域（９）の平面内において該レーザの出射ウィンドウにある円柱レンズである、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 前記の半導体レーザは、２つのワイドストライプレーザ（１）であり、
    該ワイドストライプレーザ（１）はそれぞれ減反射処理されている端面が相互に向き合って間隔をおいて配置されており、
    自由放射領域（１５）は、ポンピング領域におけるバンドギャップより大きいバンドギャップを備えている部分によって形成されている、
    請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。

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