JP5744749B2 - 改善された空間モードを備えるハイパワーｖｃｓｅｌ - Google Patents

Description

本発明は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であって、前記ＶＣＳＥＬが、第１分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と第２分布ブラッグ反射器との間に配設される光学利得媒体を有し、前記第１及び第２ＤＢＲが、レーザキャビティを形成し、前記レーザキャビティにおける自己完結レージング（self-contained lasing）を可能にするよう設計され、前記第２ＤＢＲが、前記レーザキャビティにおいて共振するレーザ放射線に対して部分的に透明であり、前記ＶＣＳＥＬが、前記第２ＤＢＲの側の、前記レーザキャビティの外側の、前記レーザキャビティの光軸上に配設される光学素子を有し、前記光学素子が、前記第２ＤＢＲに面する凹面を持ち、前記第２ＤＢＲを通過するレーザ放射線の一部を前記レーザキャビティ内へ後方反射するよう設計されるＶＣＳＥＬに関する。

赤外線波長範囲において放射するＶＣＳＥＬ装置は、光通信用途において非常にありふれている。このようなＶＣＳＥＬ装置のレーザキャビティは、適した基板においてエピタキシャルに成長させられ、幾つかの量子井戸から構成される利得領域を囲む分布ブラッグ反射器の２つの積み重ねから成る。ＤＢＲ層は、電流を利得領域内に供給する作業も引き継ぐ。それ故、通常、ＤＢＲの一方は、ｎ型にドープされ、他方は、ｐ型にドープされる。一方のＤＢＲは、レーザキャビティにおいて共振するレーザ放射線に対して高反射性であるよう設計され、一般に、99.9%より高い反射率を備えるｐ−ＤＢＲであり、他方のＤＢＲは、レーザ放射線に対して部分的に透明であり、効率的なアウトカップリングを可能にし、従って、レーザキャビティ内へのフィードバックを可能にする。

ＶＣＳＥＬの大きな利点は、それらの面発光特性によるものである。これは、ウェーハレベルにおける大量のＶＣＳＥＬの生産及びテストを可能にし、これは、低コスト製造工程の可能性を開く。更に、ＶＣＳＥＬの出力は、放射面の領域を介して或る程度まで拡大・縮小され得る。より大きな出力は、ＶＣＳＥＬアレイを形成することによって達成され得る。

ＶＣＳＥＬでより高い出力を達成するためには、大きな活性領域が設けられる必要がある。しかしながら、これらの大規模ＶＣＳＥＬは、高次空間モードにおける放射という欠点があり、更に、空間モード分布の、装置における供給電流への強い依存という欠点がある。

高次空間モードは、リング状になることがあり、それ故、対称軸上に如何なる強度も持たない。そのような挙動は、物体上の小さなスポットに、制御された方法で、熱又は光パワーを送るために、レーザダイオードの光が或る小さな焦点に収束される必要があるアプリケーションにとっては、非常に重大である。更に、レーザモードの、電流への強い依存によって、非常に選ばれた動作点しか安定放射モードを維持することができず、それ故、あまり実用的ではない。

これらの問題を解決する標準的な方法は、アウトカップリングＤＢＲの反射率を低減し、レーザキャビティを形成するよう外部ミラーを付加することである。その場合、外部ミラーを備えるこのような修正ＶＣＳＥＬは、垂直拡張共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）と呼ばれる。それは、レーザ放射のはっきりしたモードプロファイル及び高出力の恩恵を受ける。このようなレーザは、単一横モードにおけるレーザ放射にさえ到達することができる。中間ＤＢＲの反射率は、外部フィードバックのないレーザ放射が生じないように低減される。レーザが、外部光フィードバックなしに動作しない値まで、中間ＤＢＲの反射率を低減することにより、システムの複雑さは、著しく増大される。なぜなら、付加的な外部ミラーは、非常に高い精度で位置合わせされる必要があるからである。外部ミラーと組み合わせた装置も、慎重に取り付けられる必要があり、それは、システムの位置合わせの後に、任意のレーザアプリケーションのために固定される必要がある。これらの理由で、ウェーハレベルにおけるシステムの特性評価は可能ではない。

それ故、ＶＣＳＥＬの代わりにＶＥＣＳＥＬを用いることは、製造工程に複雑さを加える。半導体装置に対する外部ミラーの位置合わせにおける非常に小さな許容誤差は、単一のＶＥＣＳＥＬダイオードの精巧な位置合わせ及び製造工程を要求し、ＶＥＣＳＥＬダイオードのアレイの形成時には、更により複雑な、それ故、より高価な、位置合わせ工程を要求する。それ故、外部キャビティの付加により、ウェーハ規模生産及びテストのようなＶＣＳＥＬのユニークな特性の大部分が省かれる。

US 6,661,829 B2は、レーザキャビティから外部に放射される光の一部をキャビティ内へ後方反射するフィードバック部材を含むＶＣＳＥＬを記載している。フィードバック部材は、レーザ共振器のための凹面鏡の役割を果たす。このフィードバック部材の適切な設計及び配置により、ＶＣＳＥＬは、主に、単一基本横モードで動作する。フィードバック部材は、凸レンズ構造の内部レンズ面であってもよく、ＶＣＳＥＬ装置に取り付けられる。フィードバック部材の反射面の曲率半径Ｒと、フィードバック部材及び利得媒体の間の距離ｄとの比Ｒ／ｄは、ＶＣＳＥＬ構造の一般的な寸法で計算されているこの文献においては、20と50との間の範囲内である。フィードバック部材は、レーザキャビティから外部に放射されるレーザ放射線の一部を、共振器内へフィードバックし、従って、レージング挙動に影響を与え、とりわけ、元々のモードに影響を及ぼす。このようなレーザ設計は、主に基本横モードのレーザ発振を可能にするのに適している。この文献は、高出力動作を達成するために、フィードバック部材の曲率半径及び有効直径、並びに発振の開口のうちの少なくとも１つを増大させることを提案している。

本発明の目的は、より高い出力レベルにおいても満足なモード分布及び安定性を備えるレーザ放射線を放射する高出力ＶＣＳＥＬを提供することである。

この目的は、請求項１のＶＣＳＥＬで達成される。このＶＣＳＥＬ装置の有利な実施例は、従属請求項の内容である、又は本明細書の後部に記載されている。

提案ＶＣＳＥＬ装置は、第１ＤＢＲと第２ＤＢＲとの間に配設される光学利得媒体を有し、前記第１ＤＢＲ及び前記第２ＤＢＲは、レーザキャビティを形成し、前記レーザキャビティにおける自己完結レージングを可能にするよう設計される。前記第２ＤＢＲは、前記レーザキャビティにおいて共振するレーザ放射線に対して部分的に透明である。従って、前記第２ＤＢＲは、前記レーザキャビティのアウトカップリングミラーを形成し、それでも、自己完結レージングを可能にする、即ち、如何なる外部光学フィードバックもなしに、２つの前記ＤＢＲによって規定される前記レーザキャビティ内でのレージングを可能にする、前記レーザ放射線に対する十分に高い反射率を持つ。前記ＤＢＲ及び前記利得媒体は、既知のようにして、適切な積層から形成され得る。前記第２ＤＢＲの側の、前記レーザキャビティの外側の、前記レーザキャビティの光軸上には、光学素子が配設される。前記光学素子は、前記第２ＤＢＲに面する凹面を持ち、前記第２ＤＢＲを通して放射されるレーザ放射線の一部を前記レーザキャビティ内へ後方反射するよう設計される。ハイパワー出力を達成するために、前記凹面の曲率半径Ｒと、前記凹面及び前記利得媒体の間の距離ｄとの比Ｒ／ｄは、１と２との間の範囲内である。

提案ＶＣＳＥＬ装置は、如何なる他の光学フィードバックもなしに、このＶＣＳＥＬの自己完結レージングを可能にするための、前記レーザキャビティを形成する前記２つのＤＢＲの典型的な反射率を備える一般的なＶＣＳＥＬをベースにしている。このようなＶＣＳＥＬ設計に、好ましくは弱い外部光学フィードバックが付加され、これは、前記装置の活性領域における基本モードのスポットサイズを減らし、前記レーザの放射される横モードの数も減らす。前記外部フィードバックは、前記ＶＣＳＥＬの前記レーザキャビティ内への幾らかの弱い外部フィードバックを引き起こすのに十分な、好ましくは≦40%の小さい反射率を備える凹面を持つ外部光学素子を付加することによって達成される。光を前記レーザキャビティ内へ後方結合し、空間モード次数の減少をもたらす幾らかのフィードバックをもたらすのには、低い反射率の中間ＤＢＲ及び高反射外部ミラーを備えるＶＣＳＥＬを設計する代わりに、ほぼ20乃至30%の反射率を備える低反射面で十分である。前記利得媒体に対する前記反射面の距離ｄ（前記距離は、前記光軸上で測定されている）と、前記反射面の曲率半径Ｒとを、比Ｒ／ｄが１と２との間になるように選択することによって、大利得領域装置が供給され、これは、レーザ放射のハイパワー出力と同時に、必要とされる空間モードの減少及び安定化を達成する。本発明の上記目的を達成するためには、従来技術の上記文献において提案されているように比Ｒ／ｄを増大させるのではなく、この比の減少が必要であることが分かった。提案ＶＣＳＥＬ構造の他の利点は、前記ＶＣＳＥＬ装置の効率及びモードプロファイルを改善するために、前記光学素子が、大きな許容誤差で位置合わせされ得ると分かったことである。これは、ＶＥＣＳＥＬの外部ミラーの位置合わせのために必要な高精度とは全く異なり、それ故、このようなＶＣＳＥＬ装置の、ウェーハレベルにおける製造及びテストを依然として可能にする。

提案ＶＣＳＥＬ装置の或る実施例においては、前記第２ＤＢＲに面する前記凹面は、光学レンズの内面である。このようなレンズは、前記ＶＣＳＥＬ装置によって放射される前記レーザビームを集束させる、コリメートする又は発散させるのに用いられ得る。前記レーザキャビティ内への前記レーザ放射線の一部の適切な後方反射を達成するために、このレンズの外面は、好ましくは、適切にコーティングされる。

他の実施例においては、前記光学素子は、前記ＶＣＳＥＬに直接取り付けられ、例えば、前方放射ＶＣＳＥＬの場合には上部ＤＢＲの上に取り付けられる。この目的のため、前記光学素子は、前記レーザ放射線の波長に対して透明な、光学的に透明な材料で設計され、上部において、前記素子の内面である反射面を形成し、即ち、凹状反射内面を形成するよう凹状に形づくられる。

ハイパワー出力のために前記レーザキャビティの中で十分に大きいフィードバック領域を達成するために、前記反射面と前記利得媒体との間の距離は、前記反射面の十分に大きな曲率半径を可能にするのに十分に大きいべきである。好ましくは、前記反射面と前記利得媒体との間の距離は、≧1mmであり、一般に1mmと4mmとの間であり、好ましくは1.5mmと3.0mmとの間である。

多くのアプリケーションのために、ＶＣＳＥＬアレイを形成するよう、共通の基板上に、提案ＶＣＳＥＬ装置の幾つかが並べて配設される。これらのＶＣＳＥＬアレイは、例えば、急速熱処理又は食品加工のための加熱又は乾燥アプリケーションのために用いられ得る。他の重要なアプリケーションは、印刷の技術分野にある。この分野においては、前記ＶＣＳＥＬアレイは、好ましくは、レーザ放射線で（１回だけ又は好ましいようにして複数回印刷されるべき）画像を生成するのに用いられ、とりわけ、印刷版又はシリンダの印刷面などの印刷フォームを画像化する、記録する又は書き込むために用いられる。前記ＶＣＳＥＬアレイは、印刷基板処理装置、とりわけ印刷機械に組み込まれてもよく、又は印刷フォーム処理装置、とりわけプレートセッターに組み込まれてもよい。このような機械又は装置の例は、キッパン著、プリントメディアのハンドブック、シュプリンガー出版、ベルリン、２００１年の４．３章（コンピュータ・トゥ・プレート／トゥ・シリンダ／トゥ・スクリーン）及び４．４章（コンピュータ・トゥ・プレス／ダイレクトイメージング）において見出され得る。好ましい実施例においては、前記機械は、シートを処理する平版オフセット印刷機械であり、前記ＶＣＳＥＬアレイは、前記印刷機械において、前記機械の印刷フォームシリンダに取り付けられる平版印刷版を画像化するのに用いられる。別の好ましい実施例においては、前記機械は、印刷機械とは別の画像化装置であり、前記ＶＣＳＥＬアレイは、前記画像化装置において、前記装置の画像化シリンダに取り付けられる平版印刷版を画像化するのに用いられる。

下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の態様を、説明し、明らかにする。

以下の例示的な実施例は、添付図に関する提案ＶＣＳＥＬ装置の例を示しており、請求項によって規定されるような保護の範囲を限定するものではない。

本発明による装置の第１実施例の概略図である。 本発明による装置の第２実施例の概略図である。 本発明による装置の例示的なアレイの概略図である。

図１は、提案ＶＣＳＥＬ装置の第１例の概略図を示している。この実施例においては、ＶＣＳＥＬ１から離して配置される曲面鏡によって、弱いフィードバックが実現される。これは、図１においては概略的にしか示されていない。ＶＣＳＥＬ１の上部ＤＰＲ上の閉じ込め層２は、放射されるレーザ放射線のための開口部を形成し、図においては、レーザビーム６が示されている。フィードバックのための反射面を形成する光学素子は、この例においては、コーティングされたマイクロレンズ４である。コーティングは、Ta₂O₅及びSiO₂又は同様の材料のような適切な誘電体層の積み重ねであり得る。このマイクロレンズ４は、200μmの厚さを持つガラスブロック３に取り付けられる。ＶＣＳＥＬ１とこのガラスブロック３との間のエアギャップは3mmである。マイクロレンズは、ＶＣＳＥＬ１によって放射されるレーザ放射線の30%がレーザキャビティ内へフィードバックされるように、レーザ放射線に対して30%の反射率の内面５を持つようコーティングされる。これは、ＶＣＳＥＬ内の空間モードプロファイルを改善し、安定させる。内側反射面５の曲率半径は、3.3mmである。

例えば80μmの活性領域直径を持つこのような装置では、レーザ放射の遠距離場におけるＶＣＳＥＬの空間モードが、対称軸上に強度のないリング状高次モードから、対称軸上に集中される最大強度を持つモードに変わる。空間モード分布は、単一モードではないが、光が小さな焦点に送られる必要があるほとんどのアプリケーションにとって十分である。驚くべきことに、外部光学素子、即ち、マイクロレンズ４を備えるガラスブロック３の位置合わせは、出力及び空間モードプロファイルが外部ミラーの位置合わせに非常に決定的に依存し、故に、位置合わせの許容誤差が非常に小さい垂直拡張共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）の分野における文献及び一般的な知識から期待されるもの以外、あまり重大ではない。これとは逆に、提案低反射フィードバックの位置合わせの場合は、低コストの道具及びカメラが用いられることができ、これは、位置合わせ工程を著しく簡単にする。80μmの活性領域直径を持つＶＣＳＥＬ装置の場合は、装置の前のコーティングされたマイクロレンズの（垂直及び水平方向の）±50μm変位の位置合わせ許容誤差の範囲内で、最適な空間モード低減が達成される。

このようなＶＣＳＥＬ装置の別の利点は、提案ＶＣＳＥＬ概念への採用のための構造の再設計の必要のない、ＶＣＳＥＬのための標準的な設計の使用である。その場合、ただ、小さな外付け反射、即ち、適切な光学素子を付加するだけで、完成したＶＣＳＥＬのモードプロファイルを変えることが可能である。レーザビームに導入される、レーザビームの一部を、ＶＣＳＥＬ構造内へ、即ち、レーザキャビティ内へ後方反射する付加的な反射は、レーザ出力の強度に著しくは影響を及ぼさない。それは、しきい値電流を減らし、熱飽和（thermal roll-over）をより高い電流にシフトするので、パフォーマンスを、部分的に、更に改善する。レーザ放射の空間モードは、ＶＣＳＥＬ装置の、熱飽和までの全動作領域にわたって、安定される。

レーザの共振器を計算し、実験結果と比較するために光線行列法を用いることで、フィードバックの設計のためのガイドラインが抽出され得る。外部フィードバックが非常に弱いとはいえ、安定共振器のための理論は依然として当てはまるので、この工程は、フィードバックの実際のパラメータを設計するのに役立ち得る。光線行列法で計算したレーザビームのモードウエストの、弱いフィードバックによる空間モード測定の実験結果との比較は、（装置の実際のパラメータに依存する）或るモードウエストが、対称軸上に集中される全強度及び低次を備える最適化された安定したモードと相関されるという結論をもたらす。それ故、このモデルは、光学反射器の曲率半径及び最適な距離、１と２との間で選ばれなければならない比Ｒ／ｄなどの外部フィードバックのための共振器設計を予測するのに用いられ得る。

上記から、ＶＣＳＥＬ自体の、即ち、外部光学素子を含まないＶＣＳＥＬの設計は、当業界で既に知られているものと同様にして選ばれ得ることが明らかである。このため、このような設計の例は、当業者の一般的な知識であるので、本特許出願においては記載しない。

高出力を可能にしながらの安定化及びモード改善の問題の解決策からの別の利点は、低反射光学素子を、この素子が、ハイブリッドパッケージを形成するよう、ＶＣＳＥＬの又はＶＣＳＥＬアレイの放射面に、直接、取り付けられ得るようにして、例えば、接着又は結合され得るようにして、設計する可能性である。このために、レーザの上に取り付けるためのマイクロレンズは、好ましくは、非常に簡単な取り付けのために、ＶＣＳＥＬ構造に当てて配置される平坦な側部を備える平面−凸面タイプのものである。このような装置の例が、図２に概略的に示されている。この図は、下部ＤＢＲ９、利得媒体８及び上部ＤＢＲ７、並びに電気接点１０、及び基板であって、前記基板上でＶＣＳＥＬ構造が成長させられる基板を含む層状構造１１をベースにした一般的なＶＣＳＥＬ設計を示している。これは、波長透過基板を通してレーザ放射線を放射する、所謂、裏面又は底部放射ＶＣＳＥＬである。この層状構造１１の上には、平面−凸面マイクロレンズ４が取り付けられる。このマイクロレンズ４の上部内面５は、弱いフィードバックのための凹状反射面を形成する。破線は、レーザ放射の光円錐を示している。図２の実施例においては、凹状反射面５と利得媒体８との間の距離は、ほぼ2mmであるよう選ばれ、マイクロレンズの、即ち、凹状反射面５の曲率半径は、2.3mmであるよう選ばれる。

このような装置は、コーティングされたマイクロレンズ構造を上部に備えるＶＣＳＥＬ装置のアレイを得るために、ウェーハレベルにおいて形成され得る。ＶＣＳＥＬ装置のこのようなアレイは、例示的に、図３に示されている。

請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数性を除外しない。単に、手段が、互いに異なる従属請求項において挙げられているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利には用いられることができないことを示すものではない。例えば、外部素子は、レンズの使用に限定されず、例えば、ＶＣＳＥＬから間隔をおいて配置される凹面鏡から成ってもよい。請求項における参照符号は、これらの請求項の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

１ ＶＣＳＥＬ
２ 閉じ込め層
３ ガラスブロック
４ マイクロレンズ
５ 内側反射面
６ レーザビーム
７ 上部ＤＢＲ
８ 利得媒体
９ 下部ＤＢＲ
１０ 電気接点
１１ 層状構造

Claims (11)

1. ＶＣＳＥＬ装置であって、
   前記ＶＣＳＥＬ装置が、第１ＤＢＲと第２ＤＢＲとの間に配設される光学利得媒体を有し、
   前記第１ＤＢＲ及び前記第２ＤＢＲが、レーザキャビティを形成し、前記レーザキャビティにおける自己完結レージングを可能にするよう設計され、
   前記第２ＤＢＲが、前記レーザキャビティにおいて共振するレーザ放射線に対して部分的に透明であり、
   前記ＶＣＳＥＬ装置が、前記第２ＤＢＲの側の、前記レーザキャビティの外側の、前記レーザキャビティの光軸上に配設される光学素子を有し、
   前記光学素子が、前記第２ＤＢＲに面する凹面を持ち、前記第２ＤＢＲを通して放射されるレーザ放射線の一部を前記レーザキャビティ内へ後方反射するよう設計され、
   前記凹面の曲率半径Ｒと、前記凹面及び前記利得媒体の間の距離ｄとの比Ｒ／ｄが、１と２との間の範囲内であり、
   前記光学素子は、前記レーザキャビティ内への十分なフィードバックを与える、40%より小さい反射率を有し、これにより、非単一の横モードにおいて、前記ＶＣＳＥＬ装置の前記レーザキャビティにおける基本モードのスポットサイズが低減され且つ前記ＶＣＳＥＬ装置の横モードの数も減少されて、対称軸上に集中される最大強度を持つ低次空間モード分布を与える、ＶＣＳＥＬ装置。
2. 前記第２ＤＢＲに面する前記凹面が、前記レーザ放射線に対して２０％と３０％との間の反射率を持つ請求項１に記載のＶＣＳＥＬ装置。
3. 前記第２ＤＢＲに面する前記凹面が、マイクロレンズの内面である請求項１又は２に記載のＶＣＳＥＬ装置。
4. 前記マイクロレンズが、平凸レンズである請求項３に記載のＶＣＳＥＬ装置。
5. 前記第２ＤＢＲに面する前記凹面が、前記第２ＤＢＲに取り付けられる光学素子の内面である請求項１又は２に記載のＶＣＳＥＬ装置。
6. 前記凹面と前記利得媒体との間の前記距離が、1mm以上である請求項１に記載のＶＣＳＥＬ装置。
7. 共通の基板上に請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＶＣＳＥＬ装置を幾つか有するＶＣＳＥＬアレイ。
8. レーザ放射線で、画像を生成するための、とりわけ、印刷フォームを画像化するための装置であって、請求項７に記載のＶＣＳＥＬアレイを少なくとも１つ有する装置。
9. レーザ放射線で、画像を生成するための、とりわけ、印刷フォームを画像化するための、請求項７に記載のＶＣＳＥＬアレイの使用。
10. 請求項８に記載の装置を少なくとも１つ有する印刷基板処理装置、とりわけ、印刷機械。
11. 請求項８に記載の装置を少なくとも１つ有する印刷フォーム処理装置、とりわけ、プレートセッター。

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