JP4785327B2 - 半導体レーザー用レーザー共振器及びレーザー共振器を製造する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザー用レーザー共振器に関する。特に、情報技術および情報通信で利用され、レーザー材料加工において使用される半導体レーザーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報技術および情報通信の分野において、半導体レーザーは、例えばグラスファイバ内に信号を送るために用いられる。効率的な結合を達成するために、回折限界のスポットまで、放射を単一モードファイバ内へ結合させる必要がある。また、収集多様な材料を、高い精度で切断および溶接できるように、レーザー材料加工分野では、エネルギーが高く、回折限界にまで集光されるスポットが求められる。
【０００３】
半導体レーザーを用いて高エネルギーの単色レーザー放射を発生させる最先端技術には、さまざまな可能性がある。これらは大まかにレーザーダイオードバー、積層レーザーダイオード、広帯域レーザーダイオード、およびトラピーズレーザー分類される。
【０００４】
レーザーダイオードバーは、半導体レーザー基板上に、互いに隣り合って配置される個々のレーザーダイオード構造の数に関係する。半導体基板は、組成の異なる多層配列を備え、その中の１つの層でレーザー放射が生成される。生成されたレーザー光に対しては、この層は、層の厚みによる単一垂直横モードを一つだけ動作させる導波路層として同時に機能する。この方向へマルチモード性が強い単一エミッタがレーザー光生成するレーザーダイオードバーの場合には、この層平面内では、一般的に同は領域の空間的な制約がもたらされない。そのようなレーザーダイオードバーの個々のエミッタ間には、生成されたレーザービームの位相関係も同様に、一般的には安定せず、放射面を介したそのようなバーの放射が空間的にインコヒーレントになる。しかしながら、１つのバーは、それぞれ１０Ｗの光出力を放射することができる。
【０００５】
光出力を更に増大させるために、複数のレーザーダイオードバーが、いわゆる積層レーザーダイオードを形成するように互いに重ねられ、結果として全体の光出力がｋＷのレンジに到達する。更に、２００μｍ付近の帯域波長で、１０Ｗを超える可能な限り高出力の広帯域単一レーザーの考えがある。しかしながら、広帯域レーザーダイオードの場合には、横放射は極めてマルチモード性が強い。
【０００６】
いわゆるトラピーズレーザーの場合、「マスター発振器」の峡帯域な単一放射が生成され、それから、単一放射は、構造が最適化された、ほぼ台形の「出力増幅器」の領域内で増幅される。これにより、出力は２Ｗ程度に達する。しかしながら、増幅可能なレーザー帯域の利用可能な表面領域は、原理的ないくつかの理由から完全には開発されなかった。
【０００７】
Ｆ． Ｈｅｒｒｅｒａ， Ｊ．Ｌ． Ｖｅｒｄｅｇａｙによって始められたＺ−ＬＡＳＥＲの開発は、（Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ａｎｄ Ｓｏｆｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ（Ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ Ｆｕｚｚｉｎｅｓｓ ａｎｄ Ｓｏｆｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｖｏｌ． ８），Ｐｈｙｓｉｃａ−Ｖｅｒｌａｇ Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，（１９９６），Ｌ．Ａ． Ｖａｉｎｓｔｅｉｎ， Ｄｉｆｆｒａｋｚｉｊａ ｖ ｏｔｈｋｒｙｔｉｃｈ ｒｅｓｏｎａｔｏｒａｃｈ ｉ ｏｔｋｒｙｔｙｃｈ ｂｏｌｎｏｖｏｄａｃｈ ｓ ｐｌｏｓｋｏｉｍｉ ｚｅｒｋａｌａｍｉ （ロシア語））、開放共振器および平面状のミラーを伴う開放導波路中の回折、（Ｓｈｕｒｎａｌ ｔｅｃｈｎｉｔｓｃｈｅｓｋｏｊ ｆｉｚｉｋｉ（Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏｒ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ）， Ｖｏｌ． ３４， １９３−２０４（１９６４））、全反射に対する有限範囲内で反射する間の角度選択性に基づく。出力は現在のところ５００ｍＷであり、角度選択性はおよそ２°である。この選択角度に加えて、回折限界放射に好都合な３５μｍのモード幅がある。一定の選択角度の場合には、出力を増加させる目的のためにバンド幅を、例えば２００μｍに増加させることは、回折限界での放射を可能にしない。
【０００８】
例えば、レーザーダイオードのような半導体レーザーのレーザー共振器内には一般的に電磁界分布が存在し、共振器内部で定数γまで強度および位相が完全に巡回すると、その電磁界分布は伝播過程で完全に再生するので、共振器内には電磁界分布が定在する。これらの分離したフィールドの分布はモードと呼ばれる。レーザーにおいて、一般的に、全てのモードは、巡回損失をＶとして、レーザー動作中に、巡回損失Ｖ＝１−γ^２で発振する。巡回損失Ｖは、レーザー閾値Ｖｍａｘより小さく、レーザー閾値は、主として励起配置および活性レーザー素材に依存する。
【０００９】
レーザーが最も巡回損失の少ないモードでのみ発振する場合を、単一モードレーザー動作と述べる。また、共振器内部で最も低い巡回損失で動作するこのモードは、基本モードと呼ばれる。レーザーが複数のモードで同時に発振する場合を、マルチモードと述べる。個々のレーザーモードの巡回損失は、例えば共振器内の光学的要素のような共振器の形状、共振器ミラー、開口部、および幾何学的な許容度によって決まる。このような幾何学的配置を適切に行うことにより、個々のモードに対して、巡回損失を個別に与えることができる。
【００１０】
しかしながら、半導体レーザーの中でも、特に広帯域レーザーダイオードおよびレーザーダイオードバーにおいて、共振器の幾何学的な構成は、活性層、導波路層の幅、および端面に形成される共振器ミラーによって決まる。しかしながら半導体レーザーの場合、その長さに対して活性領域の幅が相対的に大きいので、非常に多くの横モードが共振器内で低い巡回損失で動作し、結果的に、半導体レーザーは、一般的に、詳細に計測しなければ、マルチモードで動作する。
【００１１】
前述した半導体レーザーの全ての形態において、生成されたレーザー放射の出力が低い、または空間的にインコヒーレントであることによって、小さい点に効果的に焦点を合わせることができず、結果的に不利となる。
【００１２】
例えば、レーザーチップ上の共振軸に沿って周期的に屈折率を分布させる、いわゆるブラッグ格子を適用することにより行われる、半導体レーザーの周波数安定化のために、個々の縦モードを選択する方法が記載された文献が知られている。この方法は、例えばＤＥ ４３ ２２ １６３ Ａ１に記載されている。しかし、ブラッグ格子は、レーザーの周波数安定化にのみ寄与するので、レーザーの横モードを選択する効果はない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、上記の課題を解決することのできるモード選択性位相構造を有するレーザー共振器を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。本発明の目的は、導波路面内で１つまたは数個のレーザーモードのみでレーザー放射を行うことができる半導体レーザー用のレーザー共振器を示すことである。更に、本発明の目的は、この形式のレーザー共振器の製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１によるレーザー共振器および請求項２０による方法によって達成される。本発明によるレーザー共振器およびその製造方法の開発上有利な点は、それぞれの従属項に記載されている。
【００１５】
その技術の記載によると、共振器の幾何学的な配置を適切に選ぶことにより、個々のモードの巡回損失が影響を受ける。これは、特に共振器の寸法の選択と、半導体レーザーの更なる光学的な要素の選択および配置とに関係する。
【００１６】
基本モードとして、モードは、横方向に強く構造化している波面／位相が与えられるという事実によって、導波路層内の個々の横モードの伝播特性が影響を受けるという認識に、本発明の本質がある。
【００１７】
請求項１によると、このように形成された基本モードとそれぞれの端面との間に、層内の実効屈折率の特定の分布によって形成された、それぞれ１つの位相共役ホログラフィー要素が配置される。
【００１８】
正確には、位相共役の実効屈折率構造と共に、横方向に強く構造化している基本モードの波面／位相構造により、励起された不要なモードが発振しないように、基本モードと励起された不要なモードとの巡回損失を高精度で識別することができる。前述の横方向に強く構造化している基本モードの波面／位相構造は、以後「位相構造」と省略形で記載する。
【００１９】
更に、基本モードが互いに補償し合い、基本モード以外の全てのモードの巡回損失のみが、吸収および回折により極端に大きくなるように、例えば両端面それぞれの近傍に位相構造を有利に形成することができる。しかし、基本モードの巡回損失は影響を受けない。従って、この特性により、共振器内部の基本モードが非常に小さな損失で巡回することができる。位相構造を適切に計算して構成した場合、モードの伝播特性における両方の位相構造の影響が互いに補償し合う状況は、基本モードの強度分布に非常に強く依存するので、非常に大きな巡回損失が発生する共振器内のその他のモードに対しては、通常互いに補償し合う状況にはならない。これらの損失がＶｍａｘを超えて増加すると、結果としてレーザーは単一の基本モードで動作する。
【００２０】
従って、本発明に係るレーザー共振器および位相構造を用いることにより、高エネルギーの単色放射および高輝度の、特に大きな空間コヒーレンス、即ち１に近いビーム品質Ｍ２を有する半導体レーザーを製造することができる。そのため、この放射を回折限界にまで集光させ、例えば、情報技術および情報通信の分野で用いられる単一モードファイバに効率的に結合させることができる。本発明に係るレーザー共振器を用いることにより、例えば、レーザーを用いた材料加工、特に様々な材料を高精度で切断および溶接するために用いられる高エネルギーで回折限界にまで集光したスポットを容易に作り出すことができる。
【００２１】
所望の位相構造の製造は、基板、上部構造体（これら２つの層は導波路層の上および下に位置する）、および／または活性導波路層の局所的な特性に特有の変更を加えることによって達成される。この目的を達成するために、導波路内の実効屈折率は変化し得、とりわけ導波路層の厚みおよび導波路層自身の屈折率に依存し、更に上部構造体および基板の隣接する層の屈折率にも依存する。例えば「量子井戸」およびそこに１０ｎｍの厚みを有する活性層は、導波路層の実効屈折率に形式的な影響しか与えない。
【００２２】
導波路層を局所的に薄くすることにより、導波路層の実効屈折率が影響を受け得るので、薄さを制御することにとにより、決められた位相構造を生成することができる。特に巡回損失は、適当な方法を用いることにより、それぞれに調整できるので、導波路層を通ってそれらが伝播する間に、それらの伝播特性およびモード特性は、この位相構造に対応するモードに影響を与える。本発明に係るレーザー共振器において、単一モードで動作するために導波路層の活性領域に横方向の制約が必要ないことは好都合である。従って、半導体レーザーダイオードの出力が高い状態であっても、本手法のスケーリングおよび適用が可能となる。
【００２３】
例えば、半導体チップ製造方法として知られている従来のリソグラフィー法を用いた導波路、基板、または上部構造体の厚みの微細加工によって、所望の位相構造を製造し得る。複数の半導体レーザーをウェハー規模で、同時に製造することは既に可能である。前述の位相共役ホログラフィー要素において、Δｎ／ｎ＜０．１の状態にある実効屈折率ｎの微小変動Δｎに対して、これらの要素の実効的な広がりが、λ／Δｎより大きくなるようにビーム伝播方向へ増加する。λは、空中で増幅されるモードの波長である。共振器モードの波面における光学的な影響は、共振器の軸と平行な単なる光路長を用いて計算するのではなく、波動光学ビーム伝播の測定方法、即ち、例えばビーム伝播法（ＢＰＭ）として知られている方法を用いて計算すべきである。
【００２４】
λ／Δｎで表される長さの範囲内において、前述の波の伝播を用いて計算することによって、実効屈折率を長さ方向に適切に変動させることができる。
【００２５】
その長さ方向の変動は、交互の２つの実効屈折率の２値のパターンを用いて近似することができる。そして、その２値のパターンを用いることにより、ビーム伝播の計算およびレーザー共振器の製造を、大幅に簡略化することができる。
【００２６】
全ての位相値の平均よりも小さい、その時の現在の電磁界分布の位相値の位置で、減少した実効屈折率の範囲は、それぞれのステップの後に配置されるので、それぞれの要素によって増幅されるべきレーザーモードの場の分布が、ステップ状に伝播することによって、位相構造の実効屈折率分布の計算が行われる。
【００２７】
共振器の光の放射面に近い実効屈折率分布の共振器断面において、共振器の軸に対して垂直なｘ方向への振幅分布Ａ（ｘ）を用いて、前述の横方向に強く構造化している基本モードの電界の波面ｐ（ｘ）の変調は、隣接する回帰点の間の最小位相偏差が０．１πである、少なくとも５つの異なった回帰点を有する関数ｐ（ｘ）を用いて、それが記述されるように次式で与えられる。
Ｕ（ｘ，ｚ）＝Ａ（ｘ）・ｅｘｐ（ｉ・ｐ（ｘ））
【００２８】
更に、あらかじめ実効屈折率分布を配置した２つの端面の間で、導波路の表面に効果的に差し込まれた複数のミラーにより、増幅されるべきレーザーモードの光路を都合良く偏向させることができる。これらのミラーは、光の波長の倍数の幅および全反射において大きく異なる実効屈折率を備えるチャネルによって形成され得る。全反射を局所的に一部妨げることにより、反射ミラーのガウス型のアポダイゼーションを実現することができる。
【００２９】
また、その実効のあるミラーは、格子チャネルの方向への垂直な入射とは異なった入射角で、透過または反射におけるブラック格子を構成し得る。
【００３０】
増幅されるべきレーザーモードの関数ｐ（ｘ）としての非周期関数は、本発明によるレーザー共振器の有利な具体例である。更に、これは、帯域が制限された確率関数である。即ち、確率は、関数ｐ（ｘ）の局部的な周波数ｆを発生させる最大値が、最大周波数ｆｍａｘよりも小さい。
【００３１】
位相共役ホログラフィー要素を製造するために、導波路層と、基板または上部構造体との両方の特性は、局所的に変化させることができる。その結果、特にそれぞれの層の厚みおよび／または屈折率は、変化させるべき特性として適当である。導波路層の厚みが部分的に薄い場合、位相共役ホログラフィー要素を製造するために、特に好都合である。
【００３２】
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００３４】
図１は、一方が他方の上に配される実質的に３層構造のレーザー共振器１を示す。これら３層は、基板２（下部カバー層）、導波路３、および上部構造体４（上部カバー層）である。基板２および上部構造体４は、導波路３を囲み、基板２と導波路３との接触面、および導波路３と上部構造体４との接触面において、導波路３の中でモード１１が作られるように全反射領域を形成する。
【００３５】
導波路３は、２つの平らで平行な端面５および６を有する。端面５はミラーコーティングされており、端面６は部分的に低反射率のミラーコーティングされた端面を表している。これら２つの端面は、電磁放射共振器の構造になっており、共振器の放射の一部がレーザー光線として端面６を介して分離される。２つの端面５および６の直近に、領域８、８'、および８''と領域９、９'、および９''とがそれぞれ配され、領域８、８'、および８''と領域９、９'、および９''とがそれぞれ配される部分の導波路３は局所的に薄い。これを薄くすることにより、レーザー光線１１の特定のモードに対する巡回損失を増加させる位相構造が構成される。結果として、共振器が電気的に励起される時、これらのモードがレーザー共振器内で発振するのが妨げられる。
【００３６】
図２は、導波路３の平面図を示しており、局所的に薄い部分は灰色のシェーデエィングで表している。これら局所的に薄い部分、即ち導波路３内に設けられた位相構造８および９は、全ての高次の横モードに対する巡回損失を大幅に増やす一方で、基本モードへの影響が事実上補償されるように計算して構成される。
【００３７】
本実施例では、共振器は２００μｍの幅および２ｍｍの長さを有する。この領域は、電気的に励起されるので、半導体レーザーの活性領域を含む。全ての帯域における通常の半導体レーザーと同様に、図１に示す導波路の厚みは、電磁界が層の厚み方向に、単一モードで動作するように選ばれる。図２のハッチング８および９で示すように、導波路層の厚みが特定の部分で局所的に異なることにより、導波路の実効屈折率が影響を受け、局所的に実効屈折率が異なる。結果として、そのように構成されていない導波路の領域における活性層の実効屈折率は、ｎ_{１，ｅｆｆ}＝３．４５であるが、導波路における活性層が薄い場合の実効屈折率は、ｎ_{２，ｅｆｆ}＝３．４２である。
【００３８】
２つの端面５および６の正面に直に配され、２つの領域８および９の長さ方向の深さは、それぞれ最大３５μｍである。
【００３９】
このように共振器を構成した場合、対応する基本モードは共振器内で２．２％の巡回損失を有する。共振器内の２次モードは、既に３８％以上の巡回損失を有し、それ以降の全てのモードに対する巡回損失は更にずっと大きい。
【００４０】
それぞれのモード間の巡回損失分布に基づいて、前述のレーザーは基本モードのみで発振し、ガウシアンビームが端面６で半導体レーザーから分離される。前記ビームは、単一モードであり、横方向にＷ＝６５μｍの幅を有する。
【００４１】
また、モード体積を増やすために、ミラー、プリズム、または回折性（ホログラフ）要素のような集積光学における方向を変える要素を通して基本モードの光路が曲げられる時、モードが導波路を通って伝播する端面付近の位相構造の配置に対する基本的な考えを適用することができる。前述のミラーは、以下のようなものである。個々に深くエッチングされたチャネル。真っ直ぐなまたは湾曲したチャネルを有するブラッグ格子。実効屈折率が変更されたプリズムのように構成された領域。そのいずれでもない場合は、全体的に反射するように使われるか、または全体的にミラーコーティングされた両方もしくは片方の端面の領域である。図８のようなレーザー共振器の場合には、ミラー上で達成されるに反射によって、２度の反射が達成されるように、エッチングされたチャネル状の２つのミラー１５および１６がモードの伝播軌道上に置かれる。両端面間のレーザーの長さは４ｍｍ、本モードにおけるビームの広がり幅は２００μｍ、２つの反射チャネル１５および１６の長さは２２９４μｍ、ミラーに対する基本モードの入射角は８５°、チャネル内の実効屈折率の減少はΔｎ＝０．０２である。端面５および６の対応するミラー１５および１６の端までの距離は２８５μｍであり、両端面５および６の正面の領域８および９は、メインクレームに記載されているように互いに整合されており、実効屈折率を変更して配設される。Ｚ−ＬＡＳＥＲとしての本発明によると、位相構造８および９を必ず備えるこの配置の中で、モード選択性により、回折限界が達成される。
【００４２】
図９に示すように、更に他の例では、２つの反射チャネルが反射ブラック格子１７および１８に置き換わり、異なる入射角を用いている。
【００４３】
図１０に示す例によると、位相構造８および９に加えて、共振器内部のモードの伝播特性に影響を与える共振器の端面５および６が、更に湾曲している。この場合、端面５および６の基本モードの波面は、もはや平らではなく、それぞれの端面５および６と同じ湾曲面を有する。
【００４４】
図３から６を用いて、本発明によるレーザー共振器を設計するための、本発明による手法を説明する。今後、同じまたは似たような参照番号は、図１および２中の同じまたは似たような要素を表す。
【００４５】
図３は、本発明によるレーザー共振器の実施形態を示す平面図である。特に、ホログラフィー位相要素８および９の領域に関して表している。これらはそれぞれの端面５または６に隣接しているが、それぞれの端面に対して多少の間隔を保つことができる。ここでの隣接するという意味は、本明細書では、１つの位相要素８または９のそれぞれは、端面５または６のそれぞれに割り当てられることを意味する。しかし、その結果、位相要素８または９は、共振器内の任意の位置で、共振器の長軸１４に沿って設けられる。従って、２つの端面５または６の間の中央の領域内に互いに微小な距離をおいて、位相要素８または９を配置することも可能である。しかしながら、２つの位相要素８および９の間に内部発振領域１３を残しながら、一つの位相要素８または９をそれぞれ一つの端面５または６に割り当てることは、常に必須である。
【００４６】
図４は、本実施例により選択され、図３におけるＺ０の位置、即ち位相構造９に入り込む直前の位置で増幅されたモードの振幅と位相を示す。
【００４７】
図５は、図３におけるＺ１の位置、即ち位相構造８に入り込む直前の位置で増幅されたモードの対応する振幅と位相を示す。
【００４８】
図６は、直近の位相構造、即ち、分離させる端面６の正面側（図６ａ）または第２の反射端面５（図６ｂ）の薄くされた領域を黒で示す。
【００４９】
以下に述べる製法の例に関する記述は、図３から６に関連する。
【００５０】
設計されるべきレーザー共振器は、波長λ＝１０６０ｎｍで動作するものとする。設計は、共振器１で実現される（所望される）基本モードの場の構成要素を決めることから始まる。
Ｕ（ｘ，ｚ_０）＝Ａ_０（ｘ）ｅｘｐ［ｉ＊ｐ_０（ｘ）］
即ち、平面ｚ_０内の１次元の横の振幅および位相分布をそれぞれＡ_０（ｘ）およびｐ_０（ｘ）とする。導波路層の厚みは、横モードのみがｙ方向において動作する。即ち、場の構成要素Ｕのｙ成分依存性を考慮に入れないような寸法になされるものとする。具体例としては、平面ｚ_０内の所望の基本モードは、図４ａに示すように、いわゆるガウス半径ｗ＝６５μｍのガウス振幅分布を有する。
Ａ_０（ｘ）＝ｅｘｐ（―ｘ^２／ｗ^２）
【００５１】
帯域制限されたランダム位相は、波面または位相分布ｐ_０（ｘ）に対して選ばれる。即ち、位相値はｘ座標において統計的にランダムに変化する。
ｆ_ｘ＜ｆ_ｍａｘ
上記の関係式は、選ばれた位相関数の発生する局部的な周波数ｆ_ｘに対して、（帯域制限が）適用されることになる。具体例としては、ｆ_ｍａｘ＝２００ｍｍ^−１。図４ｂは、ここで観測される具体例として、計算された位相分布または波面ｐ_０（ｘ）を示す。本実施例において、位置Ｚ_０は、分離させる端面６の正面に設計されるべきホログラフィー位相構造と隣り合って、共振器の内側に配置されるように選ばれた。
【００５２】
第２のホログラフィー位相構造８の正面に近接した共振器の内側の場の分布Ｕ（ｘ，ｚ_１）は維持され、前述の位相構造は、第２の共振器の端面５の正面に配置されるので、ＢＰＭアルゴリズム（ビーム伝播法アルゴリズム。例としては、Ｒ． Ｍａｒｚ， Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ Ｂｏｓｔｏｎ １９９４を参照）として知られる方法を用いることにより、幾何学的な導波路のパラメータを考慮して、横方向に構造化されていないレーザー共振器１の内部領域１３を通って、計算された場の分布が定量的に伝播することができる。具体的には、構造化されていない内部共振器の領域１３の長さは１．９３ｍｍである。図５に示すように、この分布は、もう一方の位相構造９の正面の場の分布Ｕ（ｘ，ｚ_０）に比べて、ｘ方向に非常に強く偏る。そして、それは、基本モードの伝播特性に著しく影響を与える強く変調された位相分布ｐ_０（ｘ，ｚ_０）が原因となり得る。
【００５３】
次の段階では、共振器の２つの端面の正面にあるホログラフィー位相構造８および９の設計を行う。これらの位相構造８および９の光学的な機能により、これらの構造９を通って、場の分布Ｕ（ｘ，ｚ_０）またはＵ（ｘ，ｚ_１）が一方に通過するとき、それらの波面は平坦にされる。即ち、基本モードの位相は、端面５および６の直近においては一定である。これらの位相構造８および９の具体的な形状の設計は、次工程で導波路層３を局部的に薄くすることを考慮して行わなければならない。特に、薄くすることは、より簡単に製造できるように、２値形式で行う方が良い。即ち、これらの位相構造８および９の領域内には、２つの異なる導波路の厚みのみを用いた方が良い。導波路領域３の厚さおよび導波路の材料は、導波路３の実効屈折率を決定する。具体的には、薄くされていない領域の実効屈折率は、ｎ_ｅｆｆ＝３．４５であるが、薄い領域のそれは、ｎ_ｅｆｆ＝３．４２である。薄い導波路の領域および薄くない導波路の領域を適切に配置することにより、共振器モードの波面の形状に影響を与えることができる。具体的には、薄い領域は、位相値Ｕが全ての位相値の平均よりも小さい位置ｘでのそれぞれのステップの後に配置されるので、位相構造８または９によって、場の分布Ｕ（ｘ，ｚ_０）またはＵ（ｘ，ｚ_１）がステップ状に（例えば１００ステップで）伝播することによって、薄くされる（位相要素の）領域の計算を行う。これらの領域内で、低い方の実効屈折率に基づいて、平均値に対する波面の偏差の減少が対応して起こる。ｚ方向のこれら位相要素の伸張が充分大きいと、Ｕの波面は、要素を通過する間に、この方法で平坦にされる。即ち、Ｕの位相は、端面５または６の正面でｘに沿って一定である。要素８または９を通ってＵの２回目の通過および、端面５または６の間での反射の間に、計算された位相構造８または９は、位相共役器［３］のように動作する。位相構造の正面で、
Ｕ（ｘ，ｚ_０）＝Ａ_０（ｘ）ｅｘｐ［ｉ＊ｐ_０（ｘ）］
の関係から、端面５または６での反射および２回目の通過の後に、
Ｕ（ｘ，ｚ_０）＝Ａ_０（ｘ）［―ｉ＊ｐ_０（ｘ）］
となる。
【００５４】
薄い領域の構造の具体的な設計例を、図６ａおよび６ｂに示す。
【００５５】
最終的な設計段階では、基本モードの巡回損失および前述の仕様に従って計算された共振器１の高次の励起モードの分析を行う。これらは、例えば、いわゆるＦｏｘ−Ｌｉ−Ａｌｇｏｒｉｔｈｍを用いて行うことができる。Ｆｏｘ−Ｌｉ−Ａｌｇｏｒｉｔｈｍとは、Ａ．ＦｏｘとＴ．Ｌｉとによる「メーザー干渉計中の共振モード」（Ｂｅｌｌ Ｓｙｓｔ．Ｔｅｃｈｎ．Ｊ．４０，ｐｐ．４５３−４８８，Ｍａｒｃｈ １９６１）である。具体的には、基本モードに対して２．２％の巡回損失、および２次の励起モードに対して３８％の巡回損失が得られる。高次のモードに対する巡回損失の値は、規定された分布ｐ０（ｘ）の位相変調の強度を用いて決められる。関数ｐ_０（ｘ）の式に依存した個々の共振器モードに対する巡回損失を正確に予測することはできない。しかし、一般的に、強い変調の際、高次の共振器モードに対する巡回損失の増加が適用される。共振器１の具体的な設計では、例えば良く知られたＦ．Ｈｅｒｒｅｒａ，Ｊ．Ｌ．ＶｅｒｄｅｇａｙによるＧｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ａｎｄ Ｓｏｆｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ（（Ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ Ｆｕｚｚｉｎｅｓｓ ａｎｄ Ｓｏｆｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｖｏｌ． ８），Ｐｈｙｓｉｃａ−Ｖｅｒｌａｇ Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，（１９９６））の手法を用いて、基本モードと１次の励起モードにおける巡回損失の割合が最適化される。また、その変調が増加することにより、基本モードに対する更なる損失が増えないようにするために、本来は、共振器の幅より広くなってはならない第２端面の正面にある場の分布Ｕ（ｘ，ｚ_１）を広げることになるので、製造可能な横の位相分布（導波路を薄くすること）およびｘ方向（共振器の幅）における導波路領域の全体的な伸張から、作ることのできる変調形態が制限される。
【００５６】
図７は、レーザーのフラウンホーファー領域の、放射された共振器の基本モードにおける算出された強度分布の一例を示す。その分布は、理想的なガウス分布から少しだけ偏向している。
【００５７】
【発明の効果】
要約すると、半導体レーザー共振器における本発明に係る位相構造を用いることにより、横モードの導波路の面内で、所望の次数、例えば基本モードのみで単に発振するような高いレーザー強度を達成するために、大きな横方向の広がりを有する従来の半導体レーザー共振器であっても、変更されることができる。従って、単一モードまたは限定的に誘導されたマルチモードレーザービームが生成される。
【００５８】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体レーザー共振器の構成の概略図である。
【図２】図１におけるレーザー共振器内の位相構造の分布を示す図である。
【図３】本発明によるレーザー共振器の構造を示す図である。
【図４】２つの位相構造の間で増幅されるモードの振幅および位相の分布を示す図である。
【図５】図４に対して他の位相構造の間で増幅されるモードの振幅および位相の分布を示す図である。
【図６】２つの端面の前にある位相構造の薄くされた領域の構造を示す図である。
【図７】レーザーのフラウンホーファー領域内の分離した基本モードの強度分布を示す図である。
【図８】本発明による集積化されたミラーを使ったレーザー共振器の応用例を示す図である。
【図９】本発明による、偏向要素としてブラック格子を用いたレーザー共振器の応用例を示す図である。
【図１０】本発明による、湾曲した端面を使ったレーザー共振器の応用例を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザー共振器
２ 基板（下部カバー層）
３ 導波路
４ 上部構造体（上部カバー層）
１１ モード
５、６ 端面

Claims (31)

1. 基板の層と上部構造体の層との間で延在している、レーザーモードを増幅するための導波路層と、
   前記導波路層の延在方向において対向するとともに、増幅すべきレーザーモードの伝播方向を確立する、共振器端面としての第１端面および第２端面と、
   前記第１端面に隣接した第１位相構造と、
   前記第２端面に隣接した第２位相構造と、
   を有し、
   前記導波路層の平面で前記伝播方向に垂直である少なくとも１つの所定の横レーザーモードであって、前記第１位相構造および前記第２位相構造の間の中間領域において前記導波路層の平面で前記伝播方向に対して横方向に非周期的に変動している位相面を有する所定の横レーザーモードが、前記導波路層で増幅され、
   前記第１位相構造は、前記中間領域から前記第１位相構造に入り込む直前における予め計算された前記所定の横レーザーモードの位相分布に応じて前記導波路層の平面で局所的に異なる実効屈折率を有し、前記第１位相構造を通過した前記所定の横レーザーモードの位相を前記導波路層の平面において前記第１端面に沿って一定にし、
   前記第２位相構造は、前記中間領域から前記第２位相構造に入り込む直前における予め計算された前記所定の横レーザーモードの位相分布に応じて前記導波路層の平面で局所的に異なる実効屈折率を有し、前記第２位相構造を通過した前記所定の横レーザーモードの位相を前記導波路層の平面において前記第２端面に沿って一定にする、
   ことを特徴とする半導体レーザー用レーザー共振器。
2. 前記第１位相構造および前記第２位相構造のうちの少なくとも１つの位相構造が、前記導波路層の平面内で、２次元的に変化している屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー共振器。
3. 前記基板、前記導波路層、および／または前記上部構造体は、位相構造として、前記導波路層の平面内で、２次元的に変化している屈折率を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザー共振器。
4. 前記第１位相構造および前記第２位相構造のうちの少なくとも１つの位相構造は、前記導波路層の平面内で、前記導波路層の厚みが、局所的に２次元的に変化していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザー共振器。
5. 前記導波路層は、前記少なくとも１つの位相構造の領域内に、２つの異なる厚みを採用することを特徴とする請求項４に記載のレーザー共振器。
6. 前記第１位相構造および前記第２位相構造において、Δｎ／ｎ＜０．１の関係にある実効屈折率ｎの微小変動Δｎに対して、λを空気中におけるレーザー放射の波長として、前記伝播方向における前記第１位相構造および前記第２位相構造の実効的な伸張は、λ／Δｎよりも大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザー共振器。
7. 前記導波路層は、前記導波路層内で巡回しているビームを偏向させる、少なくとも１つのビーム偏向構造を更に有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザー共振器。
8. 前記ビーム偏向構造は、ミラー、プリズム、および／または回折要素であることを特徴とする請求項７に記載のレーザー共振器。
9. 前記ビーム偏向構造は、深くエッチングされたチャネル、真っ直ぐなまたは湾曲した格子チャネルを有するブラッグ格子、前記実効屈折率のプリズムのように構成された領域、および／または全て反射するもしくは全てミラーコーティングされた領域を有することを特徴とする請求項７または８に記載のレーザー共振器。
10. 前記ビーム偏向構造は、前記第１端面および前記第２端面のうちの一方の端面の一部であるか、または前記第１位相構造および前記第２位相構造の間に配されることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載のレーザー共振器。
11. 前記導波路層は、少なくとも１つのビーム偏向構造としての反射する反射構造を備え、前記反射構造は、前記導波路層内で巡回しているビームを偏向させることを特徴とする請求項７から１０のいずれかに１項記載のレーザー共振器。
12. 前記反射構造は、前記導波路層内で巡回しているビームの波長の倍数の幅を有するチャネルおよび隣接する領域への全反射において実効屈折率の大きな違いを有することを特徴とする請求項１１に記載のレーザー共振器。
13. 前記チャネルの幅は、局所的に異なることを特徴とする請求項１２に記載のレーザー共振器。
14. 前記反射構造は、前記導波路層内で巡回しているビームが格子チャネル上において垂直でない入射角で衝突するように配されるブラッグ格子を有することを特徴とする請求項１１から１３のいずれか１項に記載のレーザー共振器。
15. 前記第１端面および前記第２端面は、平面または湾曲していることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載のレーザー共振器。
16. 前記所定のレーザーモードの波面は、前記第１端面または前記第２端面に沿って前記導波路の平面において前記第１端面または前記第２端面と同じ湾曲面を有することを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載のレーザー共振器。
17. 前記導波路層の厚みは、前記導波路層の平面に対して垂直に、単一の横レーザーモードのみが増幅され、かつ発生し、または誘導されるような大きさに構成されることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載のレーザー共振器。
18. 前記レーザー共振器を励起させるために前記導波路層に隣接した帯状の電極は、前記導波路層に隣接した帯状の電極が前記第１位相構造および前記第２位相構造を部分的に覆わないように、前記第１端面および前記第２端面から空間を置いて配置されることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載のレーザー共振器。
19. 請求項１から１８のいずれか１項に記載のレーザー共振器を製造する方法であって、
    前記第１位相構造および前記第２位相構造の間の前記中間領域内の１つの位置で、前記所定の横レーザーモードに対して、前記導波路層の前記平面内に広がる所定の１次元的に横の振幅（Ａ _０ （ｘ））または前記位相分布（ｐ_０（ｘ））を規定し、
    前記第１端面および前記第２端面の間の前記所定の横レーザーモードの伝播を決定し、
    前記第１位相構造を通過した前記所定の横レーザーモードの位相が前記導波路層の前記平面において前記第１端面に沿って一定となるように前記第１位相構造の実効屈折率の分布を決定し、
    前記第２位相構造を通過した前記所定の横レーザーモードの位相が前記導波路層の前記平面において前記第２端面に沿って一定となるように前記第２位相構造の実効屈折率の分布を決定することを特徴とする方法。
20. 前記位相分布として、周期的でない位相分布が規定されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記位相分布として、ランダム位相分布が規定されることを特徴とする請求項１９または２０に記載の方法。
22. 前記位相分布として、前記導波路の前記平面において横方向に統計的に変化している位相分布が規定されることを特徴とする請求項１９から２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記位相分布として、帯域制限された局所的な周波数を有する位相分布が規定されることを特徴とする請求項１９から２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 前記レーザー共振器の光が放出される端面に近い実効屈折率分布において前記伝播方向に沿った共振器軸に垂直なｘ方向に振幅分布Ａ（ｘ）を有する基本モードにおける電界分布の波面ｐ（ｘ）の変調は、隣接する回帰点間の最小位相偏差が０．１πである、少なくとも５つの異なった回帰点を有する関数ｐ（ｘ）を用いて、Ｕ（ｘ，ｚ）＝Ａ（ｘ）＊ｅｘｐ（ｉ＊ｐ（ｘ））で与えられることを特徴とする請求項１９から２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記第１位相構造および前記第２位相構造のうちの１つの位相構造を決定するために、
    ａ）、前記所定の横レーザーモードの位相が平均位相から偏っている、前記位相分布の横方向内の領域において、前記伝播方向における特定の位置での前記位相分布を決定し、
    ｂ）変化させられた屈折率を有する領域を前記所定の横レーザーモードが通過する間に、前記位相の偏差が前記平均位相によって中和されるように、偏っている位相を有する領域内で前記伝播方向へ、所定の伸張を有する前記特定の位置に隣接して、前記導波路層、前記基板、および／または前記上部構造体の変化させられた屈折率を有する部分を供給し、
    ｃ）前記部分の終端まで、前記伝播方向に、前記部分に沿った前記所定の横レーザーモードの伝播を計算し、
    ｄ）所定のカットオフ基準に従って、ステップａ）で決定された前記位相分布が一定または十分に一定となるまで、所定の位置としての前記部分の終端へ向かって、ステップａ）からｃ）を繰り返し、
    ｅ）ステップａ）からｄ）において決定された前記位相構造を有するレーザー共振器を製造する
    ことを特徴とする請求項１９から２４のいずれか１項に記載の方法。
26. 前記位相が前記平均位相よりも小さい領域が、ステップａ）において決定され、
    対応する領域は、ステップｂ）において低い実効屈折率を与えられることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 前記対応する領域は、ステップｂ）において薄くされた領域として構成されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. ステップａ）における前記位相の偏差の決定およびステップｄ）における前記カットオフ基準に対して、共通または２つの異なる閾値が与えられることを特徴とする請求項２５から２７のいずれか１項に記載の方法。
29. 前記第１位相構造および前記第２位相構造の決定後に、前記レーザー共振器内で巡回している前記所定の横レーザーモードおよび全ての高次のモードの巡回損失が決定されることを特徴とする請求項１９から２８のいずれか１項に記載の方法。
30. 前記位相分布は、遺伝的最適化手法、増幅されるべき前記所定の横レーザーモードの低い巡回損失、前記共振器内部で巡回している高次のモードの高い巡回損失、および／またはこれらの巡回損失の割合が最適化基準として用いられて、従来の手法で最適化されることを特徴とする請求項１９から２９のいずれか１項に記載の方法。
31. 前記第１端面および前記第２端面の間の前記所定の横レーザーモードの伝播は、波動工学ビーム伝播法、特にＢＰＭ法（ビーム伝播法）を用いて決定されることを特徴とする請求項１９から３０のいずれか１項に記載の方法。

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