JP5026679B2 - 光学的にポンピングされる面発光型半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学的にポンピングされる面発光型半導体レーザ装置に関する。

刊行物ＤＥ１００２６７３４Ａ１には、少なくとも１つの放射生成量子井戸構造と少なくとも１つのポンピングビーム源とを備えている光学的にポンピングされる面発光型半導体レーザ装置が記載されている。その際ポンピングビーム源は量子井戸構造の光学的なポンピングのために用いられる。ポンピングビーム源は端面もしくは側面発光半導体構造を有している。放射生成量子井戸構造および端面発光半導体構造は共通の基板にエピタキシャル成長されている。

刊行物ＵＳ５９９１３１８号には、モノリシックな面発光型半導体層構造を備えている光学的にポンピングされるバーチカル共振器型半導体レーザが記載されている。この公知の装置では生成されるレーザ放射の波長より短い波長を有する光学的なポンピング放射が端面発光半導体ダイオードから供給される。端面発光半導体ダイオードは外部で、ポンピング放射が斜めに前方から面発光半導体層構造の増強領域に入射されるように配置されている。
ＤＥ１００２６７３４Ａ１ ＵＳ５９９１３１８

本発明の課題は、特別良好なビーム品質の電磁放射を放出する光学的にポンピングされる面発光型半導体レーザ装置を提供することである。

この課題は請求項１記載の半導体レーザ装置によって解決される。

有利な実施形態は従属請求項の対象である。

面発光半導体レーザ構造が提供される。有利には半導体レーザ構造は、電磁放射の生成のために適している、少なくとも１つの構造を含んでいる。特別有利にはこの面発光型の放射生成構造は量子井戸構造である。放射生成構造は有利には少なくとも１つのポンピングビーム源もしくはポンピング放射線源によって光学的にポンピングされる。特別有利には、ポンピングビーム源は端面発光半導体構造である。例えばポンピングビーム源は端面発光型ワイドストライプレーザであってよい。

ポンピングビーム源および放射生成する面発光構造は有利には共通の基板にエピタキシャル成長される。すなわち、ポンピングビーム源は有利には、半導体レーザ装置にモノリシックに集積されている。個々の半導体層の層厚はエピタキシャル成長の際に非常に正確に調整設定され、その結果有利にも、端面発光半導体構造の、面発光型放射生成構造に対する高度な位置決め精度を実現することができる。特別有利には、面発光構造およびポンピングビーム源は、電磁放射を生成するのに適しているポンピングビーム源の少なくとも１つの活性ゾーンおよび量子井戸構造が基板上の同じ高さのところにあるように互いに並んで基板上に配置されている。これにより、半導体レーザ装置の作動中、ポンピング放射が量子井戸構造に側方から入力結合されることが実現される。このことが意味するところは、ポンピング放射の放出方向が実質的に基板表面に対して平行にかつ面発光型半導体レーザ構造から生成されるレーザビームの放出方向に対して垂直に延在していることである。

ポンピングビーム源の放出方向を横断する方向におけるポンピングビーム源の強度分布は有利には前以て決めることができる曲線に従っている。すなわち、ポンピングビーム源において放出方向を横断する方向において、すなわちラテラルな方向において所望の強度プロフィールを調整設定するための可能性が生じる。すなわち、面発光型半導体レーザ装置は有利には少なくとも１つのモノリシック集積されたポンピングビーム源を含んでおり、該装置ではポンピングビーム源は少なくとも１つの端面発光半導体構造を有しており、該端面発光半導体構造は、強度プロフィールが半導体構造の放出方向を横断する方向において前以て決めることができる曲線に従っている電磁放射を放出するのに適している。

面発光型放射生成構造およびポンピングビーム源の活性ゾーンは有利には異なっている放射放出層を有しており、これらの層は、ポンピングビーム源から放出される放射の波長が面発光型構造によって生成される放射の波長より小さいように実現されている。この波長の差異は必要である。というのは、もしそうでなければ、ポンピングおよび放出波長が同じ場合に面発光型構造によって生成される放射が面発光型構造へのポンピング放射と同じように吸収されるからである。こうなった場合には半導体レーザ装置の効率は著しく低下することになる。

半導体レーザ装置は、面発光型構造におけるキャリアの空間分布、面発光型構造のいわゆるゲインプロフィールは殊に、該構造をポンピングするポンピングプロフィールによって決まってくるという思想を利用している。すなわち、面発光構造において吸収される出力のプロフィールが面発光構造におけるキャリアの空間分布を決める。放出方向を横断する方向におけるポンピングビーム源の強度プロフィールが前以て決めることができる曲線に従うということに基づいて、有利にも、面発光構造における所望のゲインプロフィールが生成される。その際更に、半導体レーザ装置から放出されるレーザビームのビームプロフィールが面発光構造におけるゲインプロフィールによって決められていることは有利である。すなわち、面発光レーザにおいてどのモードを発振させることができるかはゲインプロフィールによって決められる。このようにして更に特別有利にも、ポンピングビーム源の強度プロフィールを介して面発光レーザのビームプロフィールを調整設定することができることになる。殊に、適当なポンピングプロフィールによって意図的に、面発光レーザにおける所望の横モードが生じるようにすることができるので、面発光レーザは専らこのモードにおいて発振する。

特別有利には、ポンピングビーム源の強度プロフィールは少なくとも１つの極大値を有している。ポンピングビーム源の強度プロフィールによって面発光構造におけるゲインプロフィールに空間的に影響力を及ぼすことができるので、ポンピングビーム源の強度プロフィールにおける最大値がゲインプロフィールの、ひいては面発光レーザのビームプロフィールにおける最大値に作用する。このようにして、面発光レーザによって生成されるビームの出力密度は空間的にコントロールされる。

有利な実施形態において、ポンピングビーム源の強度プロフィールはラテラル方向において釣り鐘状曲線の形式に従って経過している。特別有利にはそれは、ほぼガウス釣り鐘状曲線に従っている。この関係においてほぼが意味するところとは、ポンピングビーム源の製造時およびポンピングビーム源の作動中の通例の変動に基づいて、例えば温度変動が原因で数学的に正確なガウスプロフィールは殆ど実現されないということである。また、ポンピングビーム源の空間的な制約に基づいて、ポンピングビーム源の縁部における強度プロフィールは、数学的に正確なガウスプロフィールの場合にはそうであるように、漸近級数的に一定の値に接近していくということができない。むしろ強度プロフィールはポンピングビーム源の縁部において突然零に降下する。有利には、強度プロフィールの最大値はポンピングビーム源の真ん中または真ん中近傍に位置整定されており、その際強度プロフィールは有利には、端面放出器の放出方向に沿って延在している中心軸線に対して対称的に延在している。そこで強度プロフィールは釣り鐘状曲線によって特別申し分なく再現される。

このような意味でのガウス形式の強度プロフィールが特別有利であることが分かっている。というのはこの場合には、１つまたは複数のポンピングビーム源の放出によって、面発光型構造に半径方向対称、すなわちラジアルシンメトリカルなゲインプロフィールが生成されるからである。特別有利にはこのゲインプロフィールはガウス形式である。すなわちこれにより有利にも、面発光型レーザにおいてとりわけ横基本モードが発振することが実現される。

有利にも、特別高いビーム品質のガウス形状のビームプロフィールを有する、面発光構造から放出されるレーザビームが生じる。すなわち、ビームは半径方向対称なビームプロフィールを有しておりかつ近似的に１のＭ^２値によって特徴付けられている。更に、ビームは特別高い出力密度によって特徴付けられている。ガウス形状のポンピングビームによって意図的に基本モードが励振されるという事実に基づいて、面発光型レーザを高い電力でポンピングしても、高次の横モードが発振することはまずない。これにより、面発光型レーザの特別有利な半径方向対称なビームプロフィールはポンピングレートが比較的高い場合にも維持される。

このビームプロフィールは例えば材料加工に特別有利であることが分かっている。この場合例えば、規定の小さな面に高い出力密度でレーザ溶接することができる。例えばレーザ投写による、光学的な表示のためにも、このビーム形状が特別有利であることが分かっている。ここでは高い強度の特別シャープに画定された点を生成することができ、これによりブリランテな、高分解能の画像表示が可能になる。導光板にレーザビームを入力結合するためにも半径方向対称なビーム形状が特別適していることが分かっている。説明してきた半導体レーザ装置の高い出力密度のお陰で、データ伝送期間にビームを増強する必要は滅多になくなる。これにより、特別コスト面で有利なデータ伝送区間の製造が可能になる。

有利な実施形態においてｍポンピングビーム構造の活性ゾーンの所定の領域を不均質に通電するための手段が設けられており、ここで不均質とは、半導体構造の放出方向を横断する方向に関している。すなわち、ポンピングビーム源の放出方向を横断する方向において活性ゾーンにおける電流密度は一定または近似的に一定でなく、活性ゾーンにおいてラテラル方向における電流密度が不均一になるようにする手段が設けられている。

その際、放出方向を横断する方向における通電が半導体構造の放出方向に沿ったいずれの場所でも不均一である必要はなく、活性ゾーンにおいて均一に通電される部分領域があっても構わない。すなわち、放出方向を横断する方向においてこの領域において活性ゾーンにおける電流密度は変化しないまたは実質的に変化しないことを意味する。

ポンピングビーム源の活性ゾーンの不均一な通電により有利にも、ラテラル方向において、放出方向を横断する方向で不均一なキャリア密度分布が生じる。すなわち有利にも、ゲインガイドを用いて、放出方向を横断する方向において生成される放射の所望の強度プロフィールをモデル化することができる。この所望の強度プロフィールは複数の横モードの重畳から形成されて成っている。

別の実施例において、活性ゾーンにおける電流密度が放出方向を横断する方向において半導体構造の共振器長にわたって平均化されて前以て決めることができる曲線に従うようにする、活性ゾーンの不均一な通電手段が設けられている。半導体構造の共振器は放出方向に延在しておりかつ例えば、放出方向に対して垂直方向に延在している端面発光半導体構造の端部における反射面によって形成されている。

活性ゾーンにおける電流密度の、共振器長にわたって平均化された経過は実質的に前以て決めることができる曲線に従っている。実質的に前以て決めることができる曲線とは、材料組成または作動温度の変動が通電が前以て決められている曲線に正確に追従せずに、所定程度は前以て決められている曲線から偏差することになることを意味している。とりわけ半導体構造の縁部において、ポンピングビーム源の有限の拡がりに基づいて所望の曲線からの偏差を招来する可能性がある。しかし不均一な通電の実際の経過はとりわけ、半導体構造の真ん中において曲線によって申し分なく再現される。

活性ゾーンの説明してきた不均一な通電は例えば、ポンピングビーム源の少なくとも１つの表面におけるコンタクト形成面の適当な構造化によって可能である。コンタクト形成された面を介して電流が活性ゾーンに供給される。コンタクト形成面は例えばポンピングビーム源の表面に、表面の所定の領域を介してのみ電流が活性ゾーンに供給されるように配置されている。コンタクト形成面の配置および拡がりの不均一性のために、活性ゾーンにおける電流密度は不均一ということになる。その際、半導体構造の活性ゾーンにおける電流密度がポンピングビーム源の表面における電流密度と同じである必要はないことに注目すべきである。供給される電流はむしろ、表面から活性ゾーンへの途中で例えば拡幅する可能性がある。しかしこの種の電流拡幅は表面における相応に定められたコンタクト形成面によって考慮することができる。従って例えば、表面から活性ゾーンへの途中での電流の拡幅によって、活性ゾーンにおける所望の形状および大きさの領域が通電されるような仕方でコンタクト形成面を選択することが可能である。

別の実施形態において、活性ゾーンにおける電流密度が放出方向を横断する方向において前以て決めることができる曲線に従うようにする、半導体構造の活性ゾーンの通電手段が設けられている。従ってこの実施形態において電流密度は活性ゾーンの放出方向に沿ったいずれの箇所でもラテラル方向において前以て決めることができる曲線に従う。しかしこの曲線が電流密度の経過を正確に再現する必要はない。この場合もとりわけ活性ゾーンの縁部において、前以て決められて曲線からの偏差が生じることがある。

別の有利な実施形態において、電流密度が放出方向を横断する方向において少なくとも１つの極大値を有する曲線に従うようにする、活性ゾーンの通電手段が設けられている。その際電流密度が共振器長を介して平均化されてこの種の曲線に従うようにしてもよいし、放出方向を横断する方向におけるそれぞれの箇所で電流密度がこの曲線に従うようにしてもよい。有利には、電流密度は釣り鐘状曲線の形式に従って経過し、特別有利には電流密度はガウス釣り鐘状曲線形式に経過する。

端面放出器の出力パワーは次の式に示すように近似的に、放出方向を横断する方向におけるラテラル方向（ｙ）における電流密度に依存している：
ｐ（ｙ）＝η（ｉ（ｙ）−ｊ_ｔｈ）
ここでηは例えば、使用の材料または活性ゾーンのジオメトリーに依存している定数であり、かつｊ_ｔｈは端面放出器のしきい値電流密度である。それから電流が端面放出器の活性ゾーンに供給され、電流密度が近似的に
ｉ（ｙ）＝ｊ_ｔｈ＋Ｃ_０ｅｘｐ（−ｙ^２／ｗ^２）
に従うと、有利にも端面放出器の、放出方向を横断する方向における放出放射の強度プロフィールはガウス釣り鐘状曲線になる。ここでＣ_０は定数でありかつｗはガウス曲線の幅である。その際ガウス曲線の最大値は有利には活性ゾーン内にある。特別有利には最大値は活性ゾーンの真ん中、放出方向に沿って延在している中心軸線上にある。従ってラテラル方向において電流密度の経過は有利には中心軸線に対して対称形である。

更に有利には、ｙ方向における電流密度の経過の適当な選択によって、ポンピングビーム源の別の所望の強度プロフィールが生成されるようにすることができる。これにより、ポンピングレーザにおける電流密度の選択を介して、面発光構造における所望のビームプロフィールが意図的に生成される。

別の有利な実施形態において端面放出半導体構造はその表面の少なくとも１つに、半導体構造の放出方向を横断する方向に表面を外側から真ん中に向かって掃引する際に、コンタクト形成された面の、全体の面に対する割合が変化するようにコンタクト形成された面を有している。コンタクト形成面の割合は掃引の際例えば連続的に増加または低減することができる。コンタクト形成面の割合が交番的に増減するようにしてもよい。表面は全面的に均一にコンタクト形成されるのではなく、表面の所定の、選ばれた領域だけがコンタクト形成されていることが重要である。コンタクト形成面を介して電流は活性ゾーンに供給される。

有利にはコンタクト形成面は所定の幅の少なくとも２つのストリップ形状のコンタクト形成領域によって画定されており、すなわちコンタクト形成面は、ポンピングビーム源の活性ゾーンに電流を供給することができるストリップによって画定されている。有利には、ストリップは所定の、前以て決められた幅を有している。特別有利にはストリップは相互に所定の、前以て決められている間隔を置いて存在している。ストリップは例えば半導体構造の放出方向に沿って延在している。これらは有利には端面放出器の全体の共振器長に沿って延在している。特別有利にはコンタクト形成面は多数のストリップ形式のコンタクト形成領域によって画定されている。

別の実施形態において、コンタクト形成領域の幅は放出方向に対して平行である半導体構造の軸線から外側に向かって減少する。この軸線は例えば面発光型半導体構造の中心を通っているものであってよい。この軸線は有利には、最も幅広の領域の中心を通って延在している。その場合軸線から外側へポンピングビーム源の縁部に向けて、コンタクト形成領域は細くなる。

別の実施形態において、領域の、軸線からの間隔は外側に向かって増加していくようにすることができる。その際領域の幅は一定であってもよいしまたは減少するようにしてもよい。特別有利には、領域の幅はほぼガウス分布に従う。このことは特別有利である。というのは、このようにして放出方向を横断する方向における活性ゾーンのガウス形状の通電、ひいては、上に説明したように、ガウス形状の強度分布を実現することができるからである。ストリップの幅は有利には、コンタクト形成領域から活性ゾーンへかけての電流の拡幅が考慮されるように選択することができる。

別の実施形態において、端面発光半導体構造は該構造の表面の少なくとも１つに少なくとも２つのコンタクト形成されていない領域を有している。その際コンタクト形成されていない領域は、コンタクト形成されていない領域の幅が表面の縁部から中心軸線に向かって低減されるように実現されている。

次にここに説明する面発光型半導体レーザ装置を実施例およびそれぞれに対応している各図に基づいて詳細に説明する。

実施例および図において同じまたは同じ作用をする構成部分にはそれぞれ同じ参照番号が付されている。図示の構成部分並びに構成部分の相互の大きさの比は実寸通りにはなっていない。それどころか図のいくつかの部分ではよりよい理解のために誇張した大きさで示されている。

図１には、説明する面発光型半導体レーザ装置の実施例の断面が略示されている。この装置では基板１にバッファ層２が被着されている。バッファ層２には真ん中、基板上方に例えば放射生成量子井戸構造４を備えている面発光型半導体レーザ構造３が被着されている。これは面発光レーザ領域５である。半導体レーザ構造３は、バッファ層２に直接存在している第１のｎドーピングされた被覆層６と、量子井戸構造４に配置されているｐドーピングされた被覆層７とから組み合わされて成っている。量子井戸構造４は例えば多数の量子井戸を有している。

量子井戸構造という言い方はここでは、キャリヤのエネルギー状態が閉じ込め（“confinement”）により量子化されるという構造を含んでいる。殊に量子井戸構造は量子化の次元性に関するデータを含んでいない。だから量子井戸構造にはとりわけ、量子槽（トラフ）、量子細線および量子点およびこれら構造のそれぞれの組み合わせが含まれている。

面発光型半導体レーザ構造３の上には例えばブラッグミラー８がデポジットされる。

面発光レーザ領域５の周辺において例えばバッファ層２の上に、端面発光半導体レーザ構造９がデポジットされている。この構造は、波長が面発光型半導体レーザ構造３において生成される放射の波長以下である放射を生成するのに適している。端面発光半導体構造９は例えば、第１のｎドーピングされた被覆層１０と、第１のｎドーピングされた導波体層１１と、活性ゾーン１２と、ｐドーピングされた第２の導波体層１３と、ｐドーピングされた第２の被覆層１４とから成っていてよい。活性ゾーン１２は放射生成構造、例えば１つまたは複数の量子井戸を有する量子井戸構造を含んでいる。第２の被覆層１４に例えばｐドーピングされたカバー層１６が配置されている。

放射放出領域１５は放射生成面発光構造４とほぼ同じ高さのところに配置されており、有利には活性ゾーン１２および量子井戸構造４は基板１上方同じ高さの所に存在している。

全体の半導体層は例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて製造されておりかつ例えば、ヒ化ガリウムを含んでいる基板１に次の材料系の１つにおいて形成されていてよい：ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＰ。

端面発光半導体構造９の外側の縁部の近傍に、端面発光半導体構造９の層に対して垂直に延在する終端ミラー１７が存在している。これらは例えば、端面発光半導体構造９の成長後、相応のトレンチのエッチングおよび引き続く、高反射性の材料の充填を用いて製造されている。択一的に、終端ミラー１７は結晶面に沿ったウェハの分割によって製造することもできる。これらはその場合図１に図示されているように、必ずしもチップ内にある必要はなく、分割されたチップ側面によって形成されている。

カバー層１６およびブラッグミラー８の空いている表面に電気的に絶縁性のマスク層１８が存在している。これは例えば、シリコン窒化物、アルミニウム酸化物またはシリコン酸化物を含んでおりかつコンタクト形成領域３１を定めている（図２ないし４参照）。マスク層１８およびカバー層１６の上の切り欠きにｐ型コンタクト層１９、例えばコンタクト金属化部が被着されており、これによりポンピングビーム源２０をｐ側で電気的にコンタクト形成することができる。すなわち、マスク層１８が切り欠きを有しているところで、ｐ型コンタクト層１９はカバー層１６にコンタクト形成しかつこのようにしてコンタクト形成された領域３１を定める。

基板１の下面においてｎ型コンタクト層２２が被着されている。

その際基板１の、半導体構造とは反対側の主表面２３はレーザビーム（矢印２５によって指示されている）に対する出射ウィンドウ２４においてｎ型コンタクト層２２によって被覆されていない。

面発光構造３のレーザ共振器は、ブラッグミラー８と、基板１の、相対向している側に配置されている別のミラー（図示されていない）または基板１と量子井戸構造４との間に配置されている別のブラッグミラーとから形成することができる。

半導体レーザ装置の作動中、ポンピングビーム源２０である端面発光半導体構造９のコンタクト形成領域３１によってポンピング放射（矢印２６によって示されている）が生成され、そこから一部が量子井戸構造４に入力結合される。有利にはポンピングビーム源２０においてレーザ放射が生成され、このためにポンピング効率が高められることになる。特別有利には、放射方向を横断する方向におけるポンピング放射の強度分布はラテラル方向において前以て決めることができる曲線に従う。

有利には終端ミラー１７は、これらが端面発光構造９の２つの互いに相対向している放射放出領域に対するレーザ共振器を形成しているように相互配置されている。その場合端面発光構造９の２つの互いに相対向している放射放出領域は面発光レーザ構造３のトランスペアレントポンピングの後、唯一のコヒーレント振動するレーザに結合されている。

図２には面発光型半導体装置の第２の実施例の断面が略示されている。

ここにはワンステップエピタキシーにおいて成長される面発光が示されており、ポンピング放射が、例えば多数の量子井戸を含んでいる面発光レーザ５の量子井戸構造４に上方向に入力結合されるようになっている。その際量子井戸構造４への入力結合は例えば、導波体層１１，１３の屈折率における急激な変化に基づいて行われる。

ポンピングレーザ２０は例えば光学的に結合された端面放出器９によって生じている。ポンピングレーザ２０のレーザフェーセットは有利には、半導体基板１の結晶学的な軸に沿ったスクライブおよび折り割りおよび引き続く、高度な反射率（Ｒ＞９０％）を有する鏡面化によって製造されている。これにより、ポンピング放射の精々小さな成分しかラテラルな共振器から出力結合されない。共振器内部の面発光レーザ５を介して、量子井戸構造におけるポンピング放射２６の吸収により、効率のよい光学的なポンピングメカニズムが実現されている。

その際この実施例の利点は、製造技術的に特別簡単な実施形態であることである。エピタキシー後、ポンピングレーザ２０の領域においてエッチストップ技術を用いた選択的なエッチングにより導波体において規定されてエッチングされかつ引き続いて、例えばＺｎＯを含んでいることができるトランスペアレントな導電性のｐ型コンタクト１９ａおよび有利にはポンピング光に対する金属のリフレクタとしても用いられるｐ型コンタクト金属化部１９ｂが被着される。ｐ型コンタクト金属化部１９ａ，１９ｂは有利には端面発光器９の領域において、コンタクト形成領域３１が規定されるように構造化されている。このことは例えばこの場合もマスク層を用いて実現することができる。

図３には、面発光半導体構造３を備えている面発光レーザ領域５と、コンタクト形成領域３１を備えているポンピングビーム源２０とを有している従来の半導体レーザの平面が略示されている。ポンピングビーム源２０がｐ側において、ポンピングビーム源の上面を完全にまたは近似的に完全に被覆している均一なコンタクト形成面３１によって被覆されていることによって、端面放出器（放射放出領域）１５の活性ゾーン１２は均一に通電される。このような活性ゾーン１２の均一な通電のために、ラテラル方向（ラテラル方向は図３において矢印ｙによって示されている）におけるポンピングビーム源２０のレーザ放出がマルチモードの重畳となり、これらモードの和がｙ方向における近似的に矩形の強度特性経過、すなわち強度プロフィールを形成するということになる。

そこでバーチカル放出器５の場合、放射出力プロフィールは近似的に
Ｐ＝η_{ｖｅｒｔｉｋａｌ}（Ｐ_ａｂｓ−Ｐ_{ｔｈ，ｖｅｒｔｉｋａｌ}）
によって与えられている。その際η_{ｖｅｒｔｉｋａｌ}はバーチカル放出器５に対する比例定数であり、Ｐ_ａｂｓは面発光構造４によって吸収される出力の吸収プロフィールでありかつＰ_{ｔｈ，ｖｅｒｔｉｋａｌ}は、どのポンピング出力からレーザ生成が使用されるかを指示するしきい出力である。すなわち、バーチカル放出器５の放射出力は実質的にその吸収プロフィールによって決定される。このことは、空間的な分配にも吸収された出力の高さにも関連する。吸収プロフィールの方はゲインプロフィール、すなわち面発光構造３におけるキャリアの空間的な分布を表している。

すなわち図３のポンピングビーム源２０のコンタクト形成３１では、放出されるポンピング放射２６の強度プロフィールは近似的に矩形ということになる。これにより図９の、バーチカル放出器５における吸収プロフィールが生じる。その際ポンピングビーム源２０は例えば図７に示されているように相互に垂直に配置されていてもよい。

図９には、面発光構造３の吸収プロフィールＰ_ａｂｓが示されている。図９から、矩形のポンピングプロフィールに基づいて吸収プロフィールも矩形であることが分かる。これにより規定されて、バーチカル放出器５において多数の種々の横モードが発振し、これらが重畳されて矩形に近い放射出力プロフィールが生成される。その際吸収される出力の空間的な分布は等高線によって示されている。面発光構造３の真ん中３４において吸収出力は最大である。しかし面発光構造３の縁部１５にも、比較的多くの出力が吸収される領域がある。

吸収プロフィールがバーチカル放出器５の放射プロフィールを決めるので、この吸収プロフィールでは比較的僅かな出力密度を有する矩形に近い放射プロフィールが生じる。バーチカル放出器の放射出力は比較的大きな面に分配される。バーチカル放出器がより大きな電力によってポンピングされると、基本モードのみならず、高次の横モードにおいてもポンピングされる。

図４には、コンタクト形成面３１がストリップ形式の領域４１として実現されている、端面発光型ポンピングビーム源２０を備えている半導体レーザ装置の平面が略示されている。その際ストリップ４１はポンピングビーム源２０の放出方向の方向に延在している。ストリップ４１のコンタクト形成面３１の間に、例えば相応に構造化された絶縁性のマスク層１８によって定められているコンタクト形成されない面が存在している。ポンピングビーム源２０の表面を外側から真ん中に向けて掃引すると、コンタクト形成面３１の、ポンピングビーム源２０の上側の全体の面に関与する割合は交番的に増減する。コンタクト形成面３１の、ラテラル方向における構造化に基づいて、ラテラル方向におけるポンピングビーム源２０の活性ゾーン１２も均一には通電されない。この実施例においてポンピングビーム源２０の真ん中における比較的広いストリップ４１および縁部での比較的狭いストリップ４１によって活性ゾーン１２の真ん中においてその縁部におけるよりも多くの電流が供給される。コンタクト形成ストリップ４１の数、幅および間隔は活性ゾーン１２における電流密度プロフィールに整合させることができる。すなわち有利には、ストリップ幅の選択およびストリップ４１の間隔を介して、活性ゾーン１２におけるラテラル方向の電流密度の所望のプロフィールが生成される。ゲインコントロールによって活性ゾーン１２における電流密度の経過はラテラル方向に放出されるポンピング放射２６の所望の強度プロフィールが生じる。

ストリップ４１の幅および分布をガウス分布に従うようにすれば特別有利であることが分かっている。この場合ポンピングビーム源のほぼ真ん中にストリップ幅の最大のものがある。このストリップジオメトリーによって、ポンピングビーム源２０の活性ゾーン１２に、ｙ方向においてほぼガウス分布に従っているプロフィールを有する電流が供給される。その場合端面放出器におけるモードは重畳されて、ポンピングビーム源がラテラル方向においてガウス形状の強度プロフィールを有する放射が放出されることになる。その場合吸収プロフィールとして、バーチカル放出器５において大体ガウス形状の経過が生じる。

図１０には、この場合、バーチカル放出器５において吸収プロフィールが半径方向に対称でありかつ実質的にガウス形状であることが示されている。それ故にとりわけ、半径方向対称の横基本モードが発振する。従ってポンピング放射のガウス形状の強度分布によって、意図的にこのモードにおいてポンピングされる。その際ポンピングビーム源２０のポンピング電力が高められた場合にも基本モードでだけポンピングされ、それ故に高次のモードが殆どまたは全く発振しないことが特別有利である。すなわちバーチカル放出器の半径方向対称な吸収プロフィールはポンピング電力がより高い場合も維持される。このようにバーチカル放出器によって特別良好なレーザ品質のレーザビームが生成される。このレーザビームは高い電力密度を有する半径方向対称なビームプロフィールを有している。

図５には、半導体レーザ装置の別の実施例が示されている。ポンピングビーム源はここでは、ポンピングビーム源２０の共振器長にわたって平均化されて電流が活性ゾーン１２に供給され、その結果例えばラテラル方向においてガウス形状の電流密度が生じるような形でコンタクト形成面を有している。図５に示されているように、共振器の長さにわたって、ポンピングビーム源の上側の真ん中においてその縁部よりも多くのコンタクト形成面が存在している。従って、コンタクト形成された面の、面全体に対する割合は上表面を放出方向を横断するように、すなわちｙ方向に掃引してみると、外側から真ん中に向けて増大していく。このことは例えば、図５に示されているように、端面放出器の表面に複数のコンタクト形成されていない領域が配置されていることによって実現される。コンタクト形成されない領域の幅は表面の縁部から真ん中に向かってそれぞれ減少していく。

図４および図５の実施例の他に、コンタクト形成される面の数多くの別の構造化が考えられる。コンタクト形成される面の選択された構造化に依存して、所定の電流密度を活性ゾーン１２に供給することができ、このために端面発光半導体構造９から放出される放射の強度分布は前以て決めたとおりになる。すなわち例えば、２つまたはそれ以上の数の極大値を有する強度プロフィールが生じるようにすることができる。このようにして、バーチカル放出器５の意図的に所定の高次の横モードをポンピングすることができる。こうして、複数の極大値を有している、バーチカル放出器５のビームプロフィールが生成される。

図６、図７および図８には、バーチカル放出器５の周りのポンピングビーム源２０の配置の種々の形態が示されている。その際ポンピングビーム源２０は図４および５において例を挙げて説明した構造化されたコンタクト形成面３１を備えている上表面３２を有している。ポンピングビーム源２０の数および配置によって、個々のポンピングビーム源からの放射の重畳によって、バーチカル放出器５における吸収プロフィールを調整設定する付加的な可能性が提供される。

この特許出願はドイツ連邦共和国１０２００４０２６１１５．６−１１および１０２００４０３６９９６３．１−５４の優先権を主張し、これらの開示内容はこれを以てここに参照によって取り込まれる。

本発明は実施例に基づいた説明に制限されていない。本発明はそれぞれの新しい特徴並びに特徴のそれぞれの組み合わせを含んでおり、このことは殊に、たとえこの特徴またはこれらの組み合わせが特許請求の範囲または実施例に明確に記載されていなくとも、特許請求の範囲おける特徴のいずれの組み合わせも包含するものである。

面発光型半導体レーザ装置の第１の実施例の断面略図 面発光型半導体レーザ装置の第２の実施例の断面略図 従来技術の端面発光半導体構造を備えている半導体レーザ装置の平面略図 ストリップ形式にコンタクト形成された領域を備えている半導体レーザ装置の平面略図 共振器長にわたって平均化された領域を備えている半導体レーザ装置の平面略図 第２実施例による半導体レーザ装置の平面略図 第３実施例による半導体レーザ装置の平面略図 第４実施例による半導体レーザ装置の平面略図 従来のポンピングビーム源によってポンピングされる面発光型構造の吸収特性図 説明した半導体レーザ装置の実施例の１つによるポンピングビーム源によってポンピングされる面発光型構造の吸収特性図

符号の説明

１ 基板、 ２ バッファ層、 ３ 面発光型半導体レーザ構造、 ４ 放射生成量子井戸構造、 ５ 面発光レーザ領域、 ６ ｎドーピングされた被覆層、 ７ ｐドーピングされた被覆層、 ８ ブラッグミラー、 ９ 端面発光半導体構造、 １０ 第１のｎドーピングされた被覆層、１１ ｎドーピングされた第１の導波体層、 １２ 活性ゾーン、 １３ ｐドーピングされた第２の導波体層、 １４ ｐドーピングされた第２の被覆層、 １５ 放射放出領域、 １６ カバー層、 １７ 終端ミラー、 １８ マスク層もしくはコンタクト形成されない領域、 １９，１９ａ ｐ型コンタクト層、 １９ｂ ｐ型コンタクト金属化部、 ２０ ポンピングレーザ、 ２２ ｎ型コンタクト層、 ２３ 半導体構造とは反対側の主表面、 ２４ 出射ウィンドウ、 ２５ レーザビーム、 ２６ ポンピング放射、 ３１ コンタクト形成領域もしくはコンタクト形成面、 ３２ ポンピングビーム源の上表面、 ３４ 面発光構造の真ん中、 ４１ ストリップ

Claims (9)

1. 少なくとも１つのモノリシック集積されたポンピングビーム源（２０）を備えている面発光型半導体レーザ装置であって、
   ポンピングビーム源（２０）は少なくとも１つの端面発光半導体構造（９）を有しており、
   該端面発光半導体構造は、強度プロフィールが半導体構造の放出方向（ｚ）を横断する方向において前以て決めることができる曲線に従っている電磁放射を放出するのに適しており、
   半導体構造（９）の活性ゾーン（１２）の所定の領域に不均一に通電するための手段が設けられており、ここで不均一とは、半導体構造の放出方向（ｚ）を横断する方向に関しており、
   活性ゾーン（１２）における電流密度が放出方向（ｚ）を横断する方向において半導体構造（９）の共振器長にわたって平均化されて前以て決めることができる曲線に従うようにする通電手段が設けられており、
   端面発光半導体構造（９）はその表面（３２）の少なくとも１つに、半導体構造の放出方向（ｚ）を横断する方向に表面（３１）を外側から真ん中に向かって掃引する際に、コンタクト形成されたただ１つの面（３１）の、全体の面に対する割合が変化するようにコンタクト形成された面（３１）を有しており、
   端面発光半導体構造（９）は該構造の表面の少なくとも１つに少なくとも２つのコンタクト形成されていない領域（１８）を有しており、ここで、該コンタクト形成されていない領域（１８）の幅は表面の縁部から中心軸線に向かって低減していくようになっている
   面発光型半導体レーザ装置。
2. 強度プロフィールは少なくとも１つの極大値を有している
   請求項１記載の面発光型半導体レーザ装置。
3. 強度プロフィールは釣り鐘状曲線の形式に従って経過している
   請求項１または２記載の面発光型半導体レーザ装置。
4. 活性ゾーン（１２）における電流密度が放出方向（ｚ）を横断する方向において前以て決めることができる曲線に従うようにする通電手段が設けられている
   請求項１乃至３のいずれか１項記載の面発光型半導体レーザ装置。
5. 活性ゾーン（１２）における電流密度が放出方向（ｚ）を横断する方向において、少なくとも１つの極大値を有する曲線に従うようにする通電手段が設けられている
   請求項４記載の面発光型半導体レーザ装置。
6. 活性ゾーン（１２）における電流密度は放出方向（ｚ）を横断する方向において釣り鐘状曲線の形式において経過する
   請求項４または５記載の面発光型半導体レーザ装置。
7. 端面発光半導体構造（９）は少なくとも１つの表面に複数のコンタクト形成されていない領域（１８）を備えており、ここで、該コンタクト形成されていない領域（１８）の幅は表面の縁部から真ん中に向かって減少している、
   請求項１記載の面発光型半導体レーザ装置。
8. 活性ゾーンにおける電流密度の経過には、ゲインコントロールによって、ラテラルな方向において放出されるポンピング放射の所望の強度プロフィールが生じる、
   請求項１記載の面発光型半導体レーザ装置。
9. 単一のコンタクト形成面（３１）の、面全体に対する割合は、半導体構造の放出方向（ｚ）を横断する方向に表面（３１）を外側から真ん中に向かって掃引する際に、外側から真ん中に向けて増大していく、
   請求項１記載の面発光型半導体レーザ装置。

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