JPWO2017150382A1 - 面発光レーザ - Google Patents

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Abstract

面発光レーザ1は、出力部4を備える。出力部4は、横長のVCSEL(垂直共振器面発光レーザ)構造を有する。出力部4は、発振しきい値より大きな電流が注入された発振状態で動作し、VCSEL構造の長手方向の一端の結合面3にコヒーレントなシード光を受け、シード光をVCSEL構造内で垂直方向に多重反射させながら、VCSEL構造の長手方向にスローライト伝搬させ、VCSEL構造の上面から出力光L2を取り出す。

Description

本発明は、面発光型半導体レーザに関し、特にその高出力化に関する。
従来、面発光レーザの単一波長出力は、mWレベルに制限されてきた。ワット級高出力動作が可能になれば、光断層像(OCT:Optical Coherence Tomography)用の波長掃引用光源、中長距離光通信用光源、自動車、ドローン、ロボットなどに搭載されるレーザレーダー(LIDAR)用光源、監視システム、製造現場での自動検査装置、プリンタのレーザ乾燥器など様々な応用展開が可能になる。
A. Haglund、 "Single Fundamental-Mode Output Power Exceeding 6 mW From VCSELs With a Shallow Surface Relief、" IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 16, NO. 2, FEBRUARY 2004. Jean-Francois Seurin et al., "High-power vertical-cavity surface-emitting lasers for solid-state laser pumping," Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XVI, edited by Chun Lei, Kent D. Choquette、 Proc. of SPIE Vol. 8276, 2012. Kazuyoshi Hirose, et. al., "Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers," NATURE PHOTONICS, VOL 8, p.406 MAY 2014. Toshikazu Shimada, et. al., "Lateral integration of vertical-cavity surface-emitting laser and slow light Bragg reflector waveguide devices," APPLIED OPTICS, Vol. 53, No. 9, p.1766, March 2014. M. Nakahama, "Lateral integration of MEMS VCSEL and slow light amplifier boosting single mode power," IEICE ELEX, vol. 9, no.6, pp.544-551, 2012.
面発光レーザの高出力化を実現するために、表面加工を行い、高次モード発振を抑圧する構造(非特許文献1)が提案されているが、10ミクロン以下のエリアサイズが限界であり、出力10mWを越えることができない。また、多数の面発光レーザを2次元的に集積したアレイ構造(非特許文献2)では、10W以上の高出力化が可能であるが、個々の素子の位相、波長が揃っていないため、発振スペクトル幅が広く、ビーム広がり角が大きく、レンズを使っても集光できないなどの課題がある。
2次元フォトニック結晶を用いた面発光レーザ(非特許文献3)では、ワット級高出力と良質なビーム品質を実現しているが、半導体内に微細な周期構造を形成する必要があるなど、製造上、信頼性の観点から課題がある。
本発明者らはこれらの問題を解決するために、基板横方向にVCSEL(垂直共振器面発光レーザ)とスローライトSOA(半導体光増幅器)を配置した光増幅機能付き面発光レーザについて提案している(非特許文献4、5)。非特許文献4の面発光レーザの最大光出力は6mWであり、ワット級出力は得られていない。
本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、高出力を有する面発光レーザの提供にある。
本発明のある態様は面発光レーザに関する。面発光レーザは、横長のVCSEL(垂直共振器面発光レーザ)構造の出力部と、出力部のVCSEL構造に、発振しきい値より大きな電流を注入し、発振状態を維持する駆動回路と、を備える。出力部は、VCSEL構造の長手方向の一端にコヒーレントなシード光を受け、シード光をVCSEL構造内で垂直方向に多重反射させながら、VCSEL構造の長手方向にスローライト伝搬させ、VCSEL構造の上面から出力光を取り出す。
なお、本明細書における上下、横方向、水平方向、垂直方向は、実動作時における方向とは無関係な便宜的なものである。
この態様によると、VCSEL構造の出力部をレーザ発振させた状態で、外部からのシード光を増幅する増幅器として動作させることにより、高出力を得ることができる。
シード光の波長λ1と出力部のVCSEL構造の発振波長λ2は、λ1≠λ2を満たしてもよい。これにより出力部の端部(結合端)に結合した光が、結合端から再放射されるのを抑制できる。
シード光を生成するシード光源は、出力部とVCSEL構造を共有して長手方向に隣接して集積化されてもよい。これにより、面発光レーザをより一層、小型化、低コスト化できる。
シード光の波長λ1と出力部のVCSEL構造の発振波長λ2は、λ1<λ2を満たしてもよい。これにより、出力部からシード光源への戻り光の抑圧(アイソレーション)を高めることができ、ビームクオリティを改善できる。
シード光源および出力部のVCSEL構造は、エアギャップ層を有し、マイクロマシン構造により、シード光源側のエアギャップ層の厚みが可変に構成されてもよい。これによりλ1<λ2を実現できる。
シード光源および出力部のVCSEL構造は、シード光源と出力部において、層数が異なっていてもよい。より詳しくは、出力部のVCSEL構造の上部DBR(Distributed Bragg Reflector)は、シード光源のVCSEL構造の上部DBRよりも層数が多くてもよい。これによりλ1<λ2を実現できる。
シード光源側のVCSEL構造は、低屈折率層を含んでもよい。これによりλ1<λ2を実現できる。
シード光源は、複合共振器構造を有してもよい。これによりλ1<λ2を実現できる。
出力部は、ジグザグに折り曲げられていてもよい。これにより狭い面積でさらに高出力が得られる。
前記活性層VCSEL構造を構成する光閉じ込め層の屈折率は、上部DBR、下部DBRの平均屈折率よりも小さくてもよい。これにより全反射による導波モードをカットオフすることができる。
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明のある態様によれば、良好なビーム品質、狭いスペクトル幅、高出力の少なくともひとつ得ることができる。
実施の形態に係る面発光レーザの断面図である。 図1の面発光レーザの出力部の入出力特性を示す図である。 実験に用いた測定系を示す図である。 図4(a)は、出力部の増幅特性を、図4(b)は、出力光のスペクトルを、図4(c)は、ビーム角およびビーム幅を示す図である。 出力部の増幅特性のシミュレーション結果を示す図である。 第1実施例に係る面発光レーザの断面図である。 第2実施例に係る面発光レーザの断面図である。 第3実施例に係る面発光レーザの断面図である。 第4実施例に係る面発光レーザの平面図である。 第5実施例に係る面発光レーザのレイアウト図である。 第6実施例に係る面発光レーザの断面図である。 図12(a)、(b)は、図11の面発光レーザのシミュレーション結果を示す図である。 図11の面発光レーザのシミュレーション結果を示す図である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
(概要)
はじめに実施の形態に係る面発光レーザの概要を説明する。この面発光レーザは、横長のVCSEL(垂直共振器面発光レーザ)構造の出力部を備える。出力部は、発振しきい値より大きな電流が注入された発振状態で動作する。出力部は、VCSEL構造の長手方向の一端にコヒーレントなシード光を受け、シード光をVCSEL構造内で垂直方向に多重反射させながら、VCSEL構造の長手方向にスローライト伝搬させ、VCSEL構造の上面から出力光を取り出す。
この面発光レーザによれば、発振状態に維持することで、高効率な光増幅が可能となり、高出力を得ることができる。またシード光として、単一波長の波面の揃ったコヒーレント光を入射することにより、高出力でかつ波面の揃ったビームクオリティの高い出力光を得ることができる。
(実施の形態)
図1は、実施の形態に係る面発光レーザ1の断面図である。この面発光レーザ1は、第1の面発光レーザ(以下、シード光源2と称する)と第2の面発光レーザ(以下、出力部4と称する)を、同一半導体基板上に、横方向に形成したものである。概要で述べたように出力部4は、横長のVCSEL(垂直共振器面発光レーザ)構造40を有している。出力部4の長さは、シード光源2の長さの1000倍程度としてもよい。VCSEL構造40は、半導体基板10上に形成された下部DBR(Distributed Bragg Reflector)26、活性層42、上部DBR44を備える。
シード光源2は、出力部4と共通のVCSEL構造20を有しており、コヒーレントなシード光L1を発生する。シード光源2の内部において、光は垂直方向に反射を繰り返して誘導放出によって増幅され、その一部が、シード光L1として隣接する出力部4のVCSEL構造の長手方向の一端(結合面3)に結合する。
具体的にはシード光源2側のVCSEL構造20は、半導体基板10上に形成される下部DBR26、活性層22、上部DBR24を備える。VCSEL構造20の縦型共振器の上側ミラーの反射率を100%に近づけるために、上部DBR24の上面には、高反射ミラー30を形成することが望ましい。高反射ミラー30は、たとえば金(Au)などの金属や誘電体多層膜鏡が好適である。
駆動回路5は、出力部4のVCSEL構造40に、発振しきい値ITHより大きな電流IDRVを注入し、発振状態で動作させる。出力部4は、その結合面3にシード光L1を受け、シード光L1をVCSEL構造内で垂直方向に多重反射させながら、VCSEL構造40の長手方向にスローライト伝搬させる。そしてVCSEL構造40の上面から、出力光L2が取り出される。出力部4のキャビティの上側の反射面すなわち上部DBR44は、たとえば反射率95〜99%程度で設計してもよい。
ここで、出力部4からシード光源2への戻り光が存在すると、シード光源2内のモードが乱され、シード光L1のビームクオリティが悪化し、ひいては出力光L2のクオリティも悪化する。そこでシード光L1の波長λ1と出力部4のVCSEL構造の発振波長λ2は、λ1≠λ2を満たすことが望ましく、特に図1に示したように、シード光源2と出力部4が横方向に集積化される構造においては、λ1<λ2を満たすことが好ましい。これにより出力部4からシード光源2への戻り光が抑制され、ビームクオリティを改善することができる。
以上が面発光レーザ1の基本構造である。続いていくつかの具体的な構成例を説明する。VCSEL構造および材料は公知技術を用いればよく、特に限定されないが、一例を説明する。たとえば半導体基板10は、III-V族半導体でありGaAs基板であってもよい。半導体基板10の裏面には、n側電極(不図示)が形成される。下部DBR26(46)は、n型不純物であるシリコンがドープされたAl0.92Ga0.08As層とAl0.16Ga0.84As層(AlGaAs=アルミニウムガリウムヒ素)の積層構造となっており、100%近い反射率を有する。
活性層22(42)は、In0.2Ga0.8As/GaAs(インジウムガリウムヒ素/ガリウムヒ素)の多重量子井戸構造を有する。たとえば活性層22(42)は、3層量子井戸構造を有してもよい。多重量子井戸構造の両側には、必要に応じてアンドープのAl0.3Ga0.7As層である下部スペーサ層および上部スペーサ層が形成される。上部DBR24(44)は、炭素がドープされたAl0.92Ga0.08As層とAl0.16Ga0.84As層(AlGaAs=アルミニウムガリウムヒ素)の積層構造であってもよい。
続いて図1の面発光レーザ1の動作を説明する。シード光源2を発振させると、符号100で示すような光強度分布が発生し、その一部が出力部4側にシード光L1として染み出す。一方、出力部4においても、しきい値電流ITHより大きな電流Iが注入されて発振状態となる。シード光L1が結合しない状態では、一点鎖線で示すように、出力部4で発生する自然放出光と、それを種とする誘導放出光が垂直方向で反射して増幅され、波長λ2の光L3が放射される。
図1の面発光レーザ1においては、自然放出光に代えて、出力部4の結合面3に結合したシード光L1を種とした発振が支配的となり、したがって波長λ2の光L3は抑制される。そしてシード光L1が、図中、垂直方向に多重反射しながら、右方向にスローライト伝搬しながら、増幅される。増幅された光L2は、出力部4の上面から出射する。
図2は、図1の面発光レーザ1の出力部4の入出力特性を示す図である。横軸は、結合光、すなわちシード光L1の強度であり、縦軸は面発光レーザ1の光出力である。比較のために、従来技術(非特許文献4,5)における増幅特性を点線で示す。従来では、結合光に比例した出力光を得るために、スローライトSOAにはしきい値電流ITHより小さな電流が供給されており、これが光出力を小さいレベルに制限していた。これに対して本実施の形態では、出力部4を発振動作させて、結合光強度に対して利得を飽和させることにより、高出力動作が実現できる。
面発光レーザ1の増幅特性を検証するために、出力部4の部分のみを作製し、その入出力特性を測定した。図3は、実験に用いた測定系を示す図である。出力部4の上面には、電流注入用の電極50が形成される。出力部4の結合面3には、出力部4の外部に形成された光源からのシード光L1が適切な角度で入射する。実験ではシード光L1を、光ファイバを用いて出力部4に結合させた。出力光L2は、フォトディテクタ6によって測定される。出力部4のうち、増幅に寄与するのは、電極50に挟まれる領域である。作製した出力部4の横方向の長さLは1mmである。出力光L2の出射角は、シード光L1の波長λ1に依存する。出力部4の発振波長λ2は980nmである。
図4(a)は、出力部4の増幅特性を、図4(b)は、出力光L2のスペクトルを、図4(c)は、ビーム角およびビーム幅を示す図である。図4(a)〜(c)はいずれも測定結果である。
図4(a)の横軸は結合光(シード光)L1の強度、縦軸は出力光L2の強度を示す。注入電流は180mAである。ゲインの飽和特性から、出力部4が発振状態で動作していることがわかる。1mWの結合光強度に対して、30mWを超える出力光L2が得られており、類似した構造を有する従来技術に比べて格段に高出力を得ることができている。
図4(b)にしめすように、出力光L2は、狭スペクトル幅の単一波長を有していることが確認されている。また、図4(c)に示すように、レンズなどの光学系で集光することなく、ビーム幅0.1°程度の高いビームクオリティが得られている。
このように実験結果からも、出力部4を発振状態で動作させる面発光レーザ1の有用性が裏付けられている。
図5は、出力部4の増幅特性のシミュレーション結果を示す図である。出力部4の横方向の長さは、L=500μmおよび1000μmとしている。また出力部4の上方への放射損失α=200cm−1、結合光強度1mW、活性領域の井戸層数5、出力部4の導波路幅w=10μm、光閉じ込め係数Γ=6.36%を仮定している。この場合、10Aの注入電流で8W以上の高出力動作が実現できることがわかる。
上述の実験では、100mA程度の注入電流によって数十mWの出力を得たが、シミュレーション結果から、1Aあるいはそれ以上の電流を注入することにより、数Wの出力を得ることが可能であることが確認される。
続いて、シード光源2および出力部4とで、同一のVCSEL構造20(40)を有しながら、λ1<λ2とするための具体的な構成を説明する。
(第1実施例)
図6は、第1実施例に係る面発光レーザ1aの断面図である。この面発光レーザ1aにおいて、シード光源2aおよび出力部4aのVCSEL構造20,40は、エアギャップ層28,48を有し、マイクロマシン構造、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)構造により、シード光源2a側のエアギャップ層28の厚みが可変に構成される。エアギャップ層28の厚みを変化させることで、高反射ミラー30の位置を制御でき、これによりシード光源2aのキャビティ長が変化し、発振波長λ1を短くできる。なお以降の図では、駆動回路5を省略する。
(第2実施例)
図7は、第2実施例に係る面発光レーザ1bの断面図である。この面発光レーザ1bにおいて、出力部4bのVCSEL構造40の上部DBR44は、シード光源2bのVCSEL構造の上部DBR24よりも層数が多くてもよい。上部DBR44と上部DBR24の差分は、位相制御層52として示されている。位相制御層52は、選択成長によって形成することができる。第2実施例によれば、出力部4bのキャビティ長を長くすることにより、λ1<λ2を実現できる。
(第3実施例)
図8は、第3実施例に係る面発光レーザ1cの断面図である。この面発光レーザ1cにおいて、シード光源2cのVCSEL構造20は、低屈折率層54を含む。低屈折率層54は、上部DBR24の一部であり、選択酸化により形成することができる。上部DBR24の一部の層の屈折率を低く形成することにより、シード光源2cの実効的なキャビティ長を短くでき、λ1<λ2を実現できる。
(第4実施例)
図9は、第4実施例に係る面発光レーザ1dの平面図である。この面発光レーザ1dにおいて、シード光源2dは複合共振器構造を有する。複合共振器は、酸化開口56の形状によって設計できる。複合共振器の干渉状態を制御することにより、具体的には、2個の共振器のFSR(自由スペクトル間隔)を異ならしめることによって、シード光源2dの波長を変調し(バーニア効果)、λ1<λ2とすることができる。
(第5実施例)
図5に示したように、出力部4の横方向の長さLを長くするほど、高出力を取り出すことが可能である。図10は、第5実施例に係る面発光レーザ1eのレイアウト図である。出力部4eは、2次元的にレイアウトされる。たとえば出力部4eは、ジグザグに折り曲げられており、これにより長さLが伸ばされている。図4(c)に示したように、出力部4eからは、広がり角のきわめて小さな出力光L2を得ることができ、したがって出力部4eを2次元的に配置することで、2次元的狭出射で高出力なビームを生成できる。このようなビームは、レンズやミラー等の光学系8で集光することにより、回折限界近くまで絞ることも可能であり、多くの用途が期待される。
(第6実施例)
図11は、第6実施例に係る面発光レーザ1fの断面構造を示す図である。この実施例では、活性層42を構成する光閉じ込め層の屈折率が、上部DBR層44、下部DBR層46の平均屈折率よりも小さくなっている。これにより、全反射による導波モードをカットオフにすることができる。導波モードをカットオフにすることで、導波モードによる横方向の寄生発振、あるいは増幅自然放出光Lの成長によるエネルギーの消費を抑制することができる。その結果、当該面発光レーザの長さを長くすることで、面発光レーザからの出力光を増大できる。
図12(a)、(b)は、図11の面発光レーザの屈折率分布および電界分布のシミュレーション結果を示す図である。図12(b)は図12(a)を拡大したものである。図12(a)、(b)の横軸は積層方向の相対位置を表す。
図13は、図11の面発光レーザの光閉じ込め係数のシミュレーション結果を示す図である。横軸は活性領域のAl組成を、縦軸は光閉じ込め係数を示す。光閉じ込め係数は、導波モードの光(i)とスローライトモードの光(ii)それぞれについて計算した。
光閉じ込め層の屈折率を上部DBR、下部DBRの平均屈折率よりも小さすることで、全反射による導波モードをカットオフにすることができる。たとえば光閉じ込め層のAl組成を0.55程度にすることで、導波モードの光閉じ込め係数がほぼゼロになり、シード光に対する光閉じ込め係数は4%(0.04)の一定値を保持できることを示している。これによって、導波モードによる増幅自然放出光を抑圧し、シード光の増幅をすることができる。
(第7実施例)
シード光源2と出力部4は必ずしも集積化される必要はなく、図3に示したように、それらは分離していてもよい。
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
1…面発光レーザ、2…シード光源、4…出力部、5…駆動回路、6…フォトディテクタ、8…光学系、10…半導体基板、20…VCSEL構造、22…活性層、24…上部DBR、26…下部DBR、28…エアギャップ層、30…高反射ミラー、40…VCSEL構造、42…活性層、44…上部DBR、46…下部DBR、48…エアギャップ層、50…電極、52…位相制御層、54…低屈折率層、L1…シード光、L2…出力光。
本発明は、レーザ装置に利用可能である。

Claims (10)

  1. 横長のVCSEL(垂直共振器面発光レーザ)構造の出力部と、
    前記VCSEL構造に、発振しきい値より大きな電流を注入し、発振状態を維持する駆動回路と、
    を備え、
    前記出力部は、前記VCSEL構造の長手方向の一端にコヒーレントなシード光を受け、前記シード光を前記VCSEL構造内で垂直方向に多重反射させながら、前記VCSEL構造の長手方向にスローライト伝搬させ、前記VCSEL構造の上面から出力光を取り出すことを特徴とする面発光レーザ。
  2. 前記シード光の波長λ1と前記出力部のVCSEL構造の発振波長λ2は、λ1≠λ2を満たすことを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ。
  3. 前記シード光を生成するシード光源は、前記出力部と前記VCSEL構造を共有して前記長手方向に隣接して集積化されることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ。
  4. 前記シード光の波長λ1と前記出力部のVCSEL構造の発振波長λ2は、λ1<λ2を満たすことを特徴とする請求項3に記載の面発光レーザ。
  5. 前記シード光源および前記出力部の前記VCSEL構造は、エアギャップ層を有し、マイクロマシン構造により、前記シード光源側の前記エアギャップ層の厚みが可変に構成されることを特徴とする請求項3または4に記載の面発光レーザ。
  6. 前記出力部の前記VCSEL構造の上部DBR(Distributed Bragg Reflector)は、前記シード光源の前記VCSEL構造の上部DBRよりも層数が多いことを特徴とする請求項3または4に記載の面発光レーザ。
  7. 前記シード光源の前記VCSEL構造は、低屈折率層を含むことを特徴とする請求項3または4に記載の面発光レーザ。
  8. 前記シード光源は、複合共振器構造を有することを特徴とする請求項3または4に記載の面発光レーザ。
  9. 前記出力部は、ジグザグに折り曲げられていることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の面発光レーザ。
  10. 前記活性層VCSEL構造を構成する光閉じ込め層の屈折率は、前記上部DBR、前記下部DBRの平均屈折率よりも小さく、全反射による導波モードをカットオフにすることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ。
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