JP5204498B2 - 有機半導体レーザー及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機レーザー活性材料からなる層とレーザー共振器と光学的ポンプ源とを有する有機半導体レーザーであって、前記光学的ポンプ源が、有機レーザー活性材料からなる層と固定的に接続され、さらに前記有機レーザー活性材料からなる層と１つのユニットを形成している有機半導体レーザーに関している。

有機半導体は、スペクトル調整可能なレーザーにおける活性材料として非常に簡単にかつ低コストで利用できるものである。有機活性材料として通常はポリマーや小分子が用いられている。そのため適切な外部レーザー源を用いた光学的な励起のもとではレーザーの作動が可視スペクトル領域全体において可能である。有機半導体の直接の電気的な励起は、電荷担体移動度の少なさとその結果としての荷電された半導体フィルムにおける吸収量に基づいてこれまでは示すことができなかった。これまでのレーザー励起ではいつも多くのスペースを必要とする高価な外部レーザー源を介して行われてきた。
国際公開第２００６／１３１０８７号パンフレット 刊行物"A nearly diffraction limited surface emitting conjugated polymer laser utilizing a two-dimensional photonic band structure, S.Riechel et al., Applied Physics Letters, Volume 77, Number 15, pp 2310-2312" 刊行物"Very compact tunable solid-state laser utilizing a thin-film organic semiconductor, S. Riechel et al., Optics Letters, Vol 26, No 9, pp 593-595"

それ故に本発明の基礎とする課題は、高いコストと多くのスペースが必要な外部レーザー源なしで有機半導体レーザーを励起させ得る手段とそのような有機半導体の製造方法を提供することである。

前記課題は本発明により、前記光学的ポンプ源が、電気的に作動される無機ＬＥＤ（１）であり、前記有機レーザー活性材料はビーム透過性の分離層によって無機ＬＥＤから分離されており、前記無機ＬＥＤの無機結晶はｎ＞２の屈折率を有し、前記有機レーザー活性材料はｎ＜２の屈折率を有し、前記分離層は、前記有機レーザー活性材料の屈折率よりも小さい屈折率を有しており、前記有機レーザー活性材料に向いた側の前記無機ＬＥＤの表面は、フォトニック結晶の形態を有し、前記無機ＬＥＤの第１の表面の表面輪郭が、有機レーザー材料からなるレーザー活性層へ移行し、前記レーザー共振器が、前記無機ＬＥＤとは反対側の有機レーザー活性材料あの第２の表面と、前記第１の表面の前記レーザー活性層へ移行した表面輪郭との構造化によって形成されている有機半導体レーザーによって解決される。

有機半導体の少なくとも１つの実施形態によれば、この有機半導体は有機的レーザー活性材料からなる少なくとも１つの層とレーザー共振器を含み、光学的ポンプ源がこの有機半導体レーザーと一体的に接続されている。

換言すればポンプ源が有機半導体レーザーとモノリシックに接続されている。すなわちポンプ源と有機半導体レーザーは有利には相互に固定的に接続されて１つのユニットを形成している。

有機半導体レーザーの別の少なくとも１つの実施形態によれば、光学的ポンプ源が電気的に励起される無機ＬＥＤ（light emitting device; 発光デバイス）からなっているか若しくは含んでいる。有機レーザーと励起源との直接的でかつモノリシックな結合によってこれまでの光学的ポンプ源に要していたコストが削減できる。この有機半導体レーザーの製造は有利にはこれまでの無機ＬＥＤの製造に用いられていたチッププロセスの拡張として行われる。ポンプ源は唯１つの無機ＬＥＤを含んでいてもよいし、複数の例えば少なくとも２つの無機ＬＥＤを含んでいてもよい。ＬＥＤは、ＬＥＤ半導体チップであってもよい。すなわちこのＬＥＤ半導体チップは有機半導体レーザーと一体的に接続され得るものである。

別の有利な実施形態によれば、半導体共振器が有機レーザー活性材料の表面の構造化によって形成される。

このレーザー活性材料表面の所期の構造化によれば、いわゆるＤＦＢ（distributed feedback；分布帰還型）共振器が作成できる。

ＤＦＢ共振器形成のための構造化された表面の形成は、表面に対して垂直方向でのレーザー発光に対しては上側若しくは下側に形成されてもよいし、表面に対して側方方向でのレーザー発光に対しては側方に形成されてもよい。

さらなる別の有利な構成例によれば、有機レーザー活性材料がビーム透過性の分離層によって無機ＬＥＤから分離される。この場合分離層は少なくとも無機ＬＥＤによって生成されるポンピングビームの一部に対して透過性である。分離層は有利には無機ＬＥＤ内で生成されるポンピングビームに対して透過性である。

この分離層は、無機ＬＥＤから有機活性材料へのフォトンの実質的に無損失の入力結合を可能にする。

透過性の分離層を利用した場合には、この透過性分離層と有機レーザー活性材料との間の境界層にもレーザー共振器を形成することが可能である。

さらに有利な構成例によれば、無機ＬＥＤの表面が粗面に形成される。この無機ＬＥＤ表面の粗面仕上げは無機ＬＥＤの外的影響を高める。このケースでは分離層を平坦化層として用いることも有利である。すなわちこの場合は分離層がその光学的特性の他に、例えば粗面仕上げされた無機ＬＥＤ表面の平坦化にも用いられる。

平坦化層の被着は有利にはスピンコーティングや凹版印刷のようなコーティングプロセスによって行われる。

本発明のさらに有利な構成例によれば、無機ＬＥＤの表面がフォトニック結晶の形態に形成される。換言すれば、有機材料に向いている無機ＬＥＤ表面がフォトニック結晶の形態を有しているか又はフォトニック結晶の形式に従って構造化される。そのように形成された表面を有するＬＥＤは例えば国際公開第２００６／１３１０８７号パンフレットに記載されており、したがってこれに関する開示内容は参照として本明細書にも含まれるものとする。

有利にはさらなる層が蒸着法や真空蒸着法のような析出手法を介して生成され、それによってフォトニック結晶の表面輪郭がさらなる層へ移行され、有機レーザーに整合されたＤＦＢ共振器が形成される。

さらに有利な構成例によれば、無機ＬＥＤの発光波長が有機レーザー活性材料の吸収スパンに整合される。

この整合により、無機ＬＥＤの励起エネルギーが有機レーザー活性材料内に注入される。

本発明のさらに別の有利な実施例によれば、レーザー共振器が変調周期において勾配を有している深い格子構造を有する。そのようなレーザー共振器は例えば刊行物"A nearly diffraction limited surface emitting conjugated polymer laser utilizing a two-dimensional photonic band structure, S.Riechel et al., Applied Physics Letters, Volume 77, Number 15, pp 2310-2312"に記載があり、ここに紹介されているレーザーに関する開示内容が参照される。この構成によって発光波長がチップ面に亘り空間的に変化する整合可能なレーザー源の製造が可能となる。有機レーザーのビーム品質の向上のために有利には、変調が複数の空間方向に向けて、例えば四辺形若しくは六角形の格子状に実施される。

代替的な実施例によれば僅かな変調深度も選択可能である。これによりチップ面全体に亘って効果的に分散された共振器が延在し、それによって単一モードに回折制限されたコヒーレンスな発光が得られるようになる。そのようなレーザー共振器は例えば刊行物"Very compact tunable solid-state laser utilizing a thin-film organic semiconductor, S. Riechel et al., Optics Letters, Vol 26, No 9, pp 593-595"に記載があり、ここに紹介されているレーザーに関する開示内容が参照される。

レーザー共振器を生成するための有機レーザー活性材料の構造化は鋳造に応じて機械的に又は光学的ないし化学的に行うことが可能である。

有機レーザー活性層とレーザー共振器とを有する有機半導体レーザーの製造方法に関しては、電気的に作動可能な無機ＬＥＤがレーザー活性材料からなる有機層を備えることによって前記課題が解決される。

有利には、無機ＬＥＤへのさらなる層の被着、例えば透過性分離層若しくはレーザー活性材料からなる有機層の被着が析出手法によって行われる。

レーザー共振器の製造は有機層の構造化によって行われており、有利には機械的に例えば打ち抜き加工によってまたは光学的ないし化学的に行われる。

レーザー共振器の構造化はポンピング源の構造化を介して行ってもよい。例えばさらなる層が無機ＬＥＤの構造化された表面に被着されるならば、それと共にレーザー共振器の構造部が自動的に無機層表面に形成されるようになる。

本発明のさらなる利点は従属請求項並びに以下の明細書でも開示されている。

以下では本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１には本発明による有機半導体レーザーの基本的な構造が示されている。

従来型の無機ＬＥＤ１は有機レーザー活性材料２からなる層を備えている。無機ＬＥＤ１が電気的に作動されると、その表面から光が有機レーザー活性材料２からなる層の中へ発光される。この有機レーザー活性材料からなる層は複数の有機層ないしは有機フィルムからなっている。

無機ＬＥＤ１と有機レーザー活性材料２からなる層の間には透明な分離層３が設けられている。この分離層３は、無機ＬＥＤから有機活性材料へのフォトンの無損失の入力結合を可能にする。

無機結晶（ｎ＞２）と有機材料（ｎ＜２）の間の屈折率の差に基づいてこの分離層はモードガイドのためにも大きな意義を持っている。この分離層３は有機材料２の屈折率よりも小さな屈折率を有しており、この屈折率の差が無機ＬＥＤからのレーザーモードの効果的な入力結合を可能にしている。それによって特に有機活性材料へのレーザーモードの誘導が良好になされ、光学的な増幅が行われる。

この分離層は、例えばテレフタル酸ポリエチレン（ＰＥＴ）などのプラスチック材料から形成されていてもよいしそのような材料を含んだものでもよい。

この分離層は中心的な意味合いをもつものではあるが、必ずしも本発明の必須の構成要素というわけではない。

有機活性材料の層の厚みは、有機膜の内部へ案内されるモードが伝播され得るように構成される。

レーザー共振器４の形成のために、有機活性材料の表面は平面的ではなく次のように構造化される。すなわち周期的な隆起部分において案内されたモードの一部が面反射され、分散されたいわゆるＤＦＢ（distributed feedback）共振器が形成されるように行われる。

無機ＬＥＤ１によっていわゆるポンピング光Ｐが有機レーザー活性材料２の励起のために送出される。

このポンピング光Ｐは透過性の分離層３を透過してレーザー共振器４に入射する。

有機レーザー活性材料内で生じたモードＭはレーザー共振器４の構造によって回折される。それによりモードの一部ｍ＝２は反射されフィードバックによって１つの光波の形成が生じる。

他の部分ｍ＝１は、ここに示されている二次のＤＦＢ共振器の表面に対して垂直方向に放出される発光レーザー光を形成している。

図１による実施例の場合にはＤＦＢ構造部、すなわちＤＦＢ共振器が、分離層３とレーザー活性材料２の間に形成されている。

また図には示していないが別の実施例としてＤＦＢ構造部をレーザー活性材料２の上側に設けることも可能である。

さらにまたＤＦＢ構造部は一次のＤＦＢ共振器として構成されていてもよい。その場合にはレーザービームの放射が縁部、すなわち側方で行われる。一次のＤＦＢ共振器の主な利点はレーザービームの低減が出力結合損失の少なさに基づく点である。

図２には本発明によるレーザー源の代替的な実施形態が示されている。無機ＬＥＤ１はここでは粗面仕上げされた表面を備えている。無機ＬＥＤの粗面状の表面は外的作用を高める。このことは例えば次のようなことに還元させることが可能である。すなわち無機ＬＥＤから出射されたビームの全反射に対する確率を粗面に基づいて低減させることである。

このケースでは分離層３を同時に平坦化層として用いることも可能である。

分離層３の被着に対しては有利には次のようなコーティングプロセス、例えばスピンコーティングプロセスや凹版印刷プロセスなどが適している。

これらのコーティングプロセスにおいては、所望の材料が溶媒の中で溶解され、その後で液状化フェーズから処理される。

ＤＦＢ共振器ないしレーザー共振器４を、分離層３とレーザー活性材料２の間の境界面に形成するのか、あるいは有機レーザー活性材料２表面に形成するのかに関する概念的発端は、平坦化とは無関係のままである。

図３には、本発明のさらに別の実施形態が示されている。

この図３による実施形態では、光の出力結合の増大のために、無機ＬＥＤの表面がフォトニック結晶の形態に形成されている。表面の適切なフォトニック結晶構造のもとでは、つまり格子周期や変調深度の適切な構成のもとでは、フォトニック結晶は、ＬＥＤの方向性と出力結合効果を著しく高める。

さらなる層に対する析出手法、例えば蒸着法や真空蒸着法などの適切な選択のもとに、無機ＬＥＤの表面における表面輪郭がフォトニック結晶の形態でさらなる層へ移行され、それによって有機レーザーに合わせたＤＦＢ共振器が形成される。

無機ＬＥＤ表面にフォトニック結晶構造の形態でさらなる層を被着させることによって、有機レーザー活性材料２の上側ないし下側にＤＦＢ共振器が自動的に形成される。

全ての実施形態において有利なことは、無機ＬＥＤの発光波長を有機レーザー活性材料の吸収帯域に整合させることである。それにより無機ＬＥＤの励起エネルギーが活性材料に注入される。

３つの実施形態の全てにおいては結合特性とそれに伴う共振器の有効長さが周期的構造の変調深度ないし変調レベルに応じて変化する。

例えば変調周期に勾配を有している深い格子構造が用いられている場合には、発光波長がチップ面に亘り空間的に変化する整合可能なレーザー源が可能となる。

有機レーザーのビーム品質の向上のために有利には、変調が複数の空間方向において、例えば四辺形ないし六角形の格子状に実施される。

それに対して僅かな変調深度は、チップ面全体に亘って効果的に分散された共振器の延在を生ぜしめ、それによって単一モードに回折制限されたコヒーレンスな発光が得られるようになる。

共振器形成のための無機ＬＥＤないし有機レーザー活性層の表面の構造化は前述したようにフォトニック結晶構造へのさらなる層の被着によって、あるいは機械的若しくは光学的／化学的に行われ得る。

例示的に以下のさらなる方法が挙げられる。すなわち
・例えば打ち抜きないし型押し技術を用いた成形技法。
・光学的特性の変更方法、例えばホログラフィックな露光、この場合は活性材料か若しくは分離層を局所的に架橋結合させ、それによって溶媒に対して不活性化させる（写真技術）。
・ホログラフィックな露光方法、この場合材料の光学的特性が局所的に変更され、これは屈折率の変化を伴って現われる。
・例えば自己組織化による適切な量のナノ粒子の配列構成方法。

図１〜図３による実施例によって表されたような本発明によれば省スペース的でかつ低コストなレーザー源が製造できる。レーザー共振器の幾何学構造と有機材料の選択の際の多様性に基づいてレーザー発光がこれらの考察のもとに任意に選択可能な波長のもとで全ての可視スペクトル領域に亘って実現できる。従って本発明はスペクトロスコープの分野においてもディスプレイ分野においても中心的な意義をなすものとなる。

本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第１０２００７００３８５６.０号及び１０２００７０１１１２４.１号の優先権を主張するものであり、その開示内容は参照により本願に取り入れられる。

なお本発明は実施例に基づいたこれまでの説明によって限定されるものではないことを述べておく。むしろ本発明はあらゆる新規の特徴並びにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に特許請求の範囲に記載した特徴のあらゆる組み合わせが含まれる。このことはこのような特徴またはこのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施例に明示的には記載されていない場合であっても当てはまる。

本発明による有機半導体レーザーの基本的な構造を示した図 無機ＬＥＤの粗面状の表面を有する図１による基本的な構造を示した図 無機ＬＥＤの表面がフォトニック結晶構造で形成されている図１による基本的な構造を示した図

符号の説明

１ 無機ＬＥＤ
２ 有機レーザー活性材料からなる層
３ 透過性分離層
４ レーザー共振器
Ｐ ポンピング層
Ｍ モード
ｍ＝１ 発光されたレーザー光
ｍ＝２ レーザー共振器によって反射されたレーザー光

Claims (16)

1. 有機レーザー活性材料（２）からなる層とレーザー共振器（４）と光学的ポンプ源とを有する有機半導体レーザーであって、
   前記光学的ポンプ源が、有機レーザー活性材料（２）からなる層と固定的に接続され、さらに前記有機レーザー活性材料（２）からなる層と１つのユニットを形成している有機半導体レーザーにおいて、
   前記光学的ポンプ源が、電気的に作動される無機ＬＥＤ（１）であり、
   前記有機レーザー活性材料（２）はビーム透過性の分離層（３）によって無機ＬＥＤから分離されており、
   前記無機ＬＥＤ（１）の無機結晶はｎ＞２の屈折率を有し、
   前記有機レーザー活性材料（２）はｎ＜２の屈折率を有し、
   前記分離層（３）は、前記有機レーザー活性材料（２）の屈折率よりも小さい屈折率を有しており、
   前記有機レーザー活性材料（２）に向いた側の前記無機ＬＥＤ（１）の表面は、フォトニック結晶の形態を有し、
   前記無機ＬＥＤ（１）の第1の表面の表面輪郭が、有機レーザー材料（２）からなるレーザー活性層へ移行し、
   前記レーザー共振器（４）が、前記無機ＬＥＤ（１）とは反対側の有機レーザー活性材料（２）の第２の表面と、前記第1の表面の前記レーザー活性層へ移行した表面輪郭との構造化によって形成されている、
   ことを特徴とする有機半導体レーザー。
2. 前記分離層（３）はプラスチック材料から形成されている、請求項１記載の有機半導体レーザー。
3. 前記分離層（３）はテレフタル酸ポリエチレンから形成されている、請求項２記載の有機半導体レーザー。
4. 前記レーザー共振器（４）は、前記分離層（３）と前記有機レーザー活性材料（２）の間の境界面に形成されている、請求項１から３までのいずれか1項記載の有機半導体レーザー。
5. 前記有機レーザー活性材料（２）内で生じたモード（Ｍ）は前記レーザー共振器（４）の構造によって回折され、それによりモードの一部が反射され、フィードバックによって１つの光波の形成がされ、
   前記モードの他の部分は、前記有機レーザー活性材料（２）の主伸長方向に対して垂直方向に放出される発光レーザー光を形成する、請求項１から４いずれか１項記載の有機半導体レーザー。
6. 前記レーザー共振器（４）は、ＤＦＢ（distributed feedback）共振器として形成されている、請求項１から５いずれか１項記載の有機半導体レーザー。
7. ポンピング源の発光波長は有機レーザー活性材料（２）の吸収帯域に整合されている、請求項１から６いずれか１項記載の有機半導体レーザー。
8. レーザー共振器（４）は、変調周期において勾配を有している深い格子構造を有している、請求項１から７いずれか１項記載の有機半導体レーザー。
9. 周期的な構造を有しているレーザー共振器が複数の空間方向において形成されている、請求項１から８いずれか１項記載の有機半導体レーザー。
10. 前記レーザー共振器は、四辺形又は六角形の格子状に形成されている、請求項９記載の有機半導体レーザー。
11. 有機レーザー活性層（２）とレーザー共振器（４）とを有する有機半導体レーザーの製造方法であって、
    光学的ポンプ源が有機レーザー活性材料（２）からなる層を備え、
    前記光学的ポンプ源が、有機レーザー活性材料（２）からなる層と固定的に接続され、前記有機レーザー活性材料（２）からなる層と１つのユニットを形成しており、
    前記光学的ポンプ源が、電気的に作動される無機ＬＥＤ（light emitting device）である有機半導体レーザーの製造方法において、
    前記有機レーザー活性材料（２）をビーム透過性の分離層（３）によって前記無機ＬＥＤ（１）から分離し、
    ここで前記無機ＬＥＤ（１）の無機結晶はｎ＞２の屈折率を有し、
    前記有機レーザー活性材料（２）はｎ＜２の屈折率を有し、
    前記分離層（３）は、前記有機レーザー活性材料（２）の屈折率よりも小さい屈折率を有しており、
    前記有機レーザー活性材料（２）に向いた側の前記無機ＬＥＤ（１）の表面は、フォトニック結晶の形態を有し、
    前記無機ＬＥＤ（１）の第1の表面の表面輪郭が、有機レーザー材料（２）からなるレーザー活性層へ移行し、
    前記レーザー共振器（４）が、前記無機ＬＥＤ（１）とは反対側の有機レーザー活性材料（２）第２の表面と、前記第1の表面の前記レーザー活性層へ移行した表面輪郭との構造化によって形成される、
    いることを特徴とする有機半導体レーザーの製造方法。
12. 無機ＬＥＤ（１）の上に透過性分離層（３）または有機レーザー活性材料（２）層が析出手法によって被着される、請求項１１記載の方法。
13. 前記レーザー共振器（４）は有機レーザー活性層（２）の構造化によって製造され、
    構造化部分の製造は機械的に行われる、請求項１１または１２記載の方法。
14. 前記構造化は、打ち抜き加工によって行われる、請求項１３記載の方法。
15. 前記構造化は、ナノ粒子を自己組織化により配列することによって行われる、請求項１１または１２記載の方法。
16. 前記レーザー共振器（４）を形成するための構造化部分の製造は、光学的及び／又は化学的手法によって行われる、請求項１１または１２記載の方法。

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