WO2012172606A1 - 半導体レーザ、面発光半導体レーザ、半導体レーザモジュール、および、非線形光学素子 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser, a surface emitting semiconductor laser, a semiconductor laser module, and a nonlinear optical element, and in particular, a vertical cavity surface emitting semiconductor laser (VCSEL: Vertical Vertical Surface Emitting Laser LASER) and a semiconductor laser using the same
  • VCSEL Vertical Vertical Surface Emitting Laser LASER
  • the present invention relates to a module and a second-order harmonic generation nonlinear optical element.
  • a vertical cavity surface emitting semiconductor laser in which a plurality of semiconductor layers including an active layer are stacked between upper and lower multilayer mirrors, which are DBR (Distributed Bragg Reflector) mirrors, is disclosed.
  • DBR Distributed Bragg Reflector
  • These surface emitting semiconductor lasers have a mesa post structure and a current confinement layer for limiting the current path and increasing the current injection efficiency.
  • This current confinement layer has a current confinement portion made of Al 2 O 3 located on the outer periphery and a circular current injection portion made of AlAs located in the center of the current confinement portion.
  • This current injection portion serves as a current path when current is injected into the surface emitting semiconductor laser, and also serves as an opening through which laser light is emitted.
  • the surface-emitting semiconductor laser having such a structure is assumed to be used in, for example, an array-type ultrahigh-speed parallel optical link including a plurality of elements, and it is necessary to monitor the optical output in the link.
  • the monitoring of the optical output of the surface emitting semiconductor laser is usually performed by extracting a part of the oscillation wavelength component of the main mode as the monitor light.
  • a monitor photodetector (monitor PD (Photodiode)) is used.
  • a monitor light is detected for monitoring by providing an inclined mirror provided with a low reflectivity film above the emission surface of the surface emitting semiconductor laser. Branch to the vessel.
  • the present invention has been made in view of the above, and it is possible to save space, and the second for an output monitor without causing deterioration in characteristics of basic performance such as driving characteristics and quantum efficiency of a semiconductor laser. It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser capable of generating a second harmonic, a surface emitting semiconductor laser, a semiconductor laser module using the semiconductor laser or the surface emitting semiconductor laser, and a nonlinear optical element.
  • a surface emitting semiconductor laser includes a first reflecting mirror, a second reflecting mirror facing the first reflecting mirror, and the first reflecting mirror and the second reflecting mirror. And a resonator including an active layer.
  • the first reflecting mirror is a dielectric multilayer film reflecting mirror having a periodic structure of a high refractive index dielectric layer and a low refractive index dielectric layer, and at least one of the first reflecting mirror and the resonator has a main mode.
  • a nonlinear layer having nonlinearity with respect to the laser beam.
  • the nonlinear optical element according to the second aspect of the present invention includes a dielectric multilayer film having a periodic structure of a high refractive index dielectric layer and a low refractive index dielectric layer, and the high refractive index dielectric layer and the low refractive index. At least one of the dielectric layers is provided with a nonlinear layer having nonlinearity with respect to the propagating main mode laser beam.
  • a semiconductor laser includes a dielectric multilayer reflector having a periodic structure of a high refractive index dielectric layer and a low refractive index dielectric layer, and at least one end face of the dielectric multilayer reflector. And a resonator including an active layer. At least one of the high refractive index dielectric layer and the low refractive index dielectric layer constituting the dielectric multilayer film reflecting mirror is provided with a nonlinear layer having nonlinearity with respect to the main mode laser beam.
  • FIG. 3 It is typical sectional drawing of the surface emitting semiconductor laser which concerns on embodiment of this invention. It is a graph showing the wavelength dependence of the refractive index of the nonlinearity Si x N y film to be used for non-linear layer of the surface emitting semiconductor laser shown in FIG. 3 is a graph showing measurement results of the second harmonic oscillation spectrum when the high refractive index layer of the dielectric multilayer film of the surface emitting semiconductor laser shown in FIG. 1 is a nonlinear layer. It is a schematic diagram of the surface emitting semiconductor laser module using the surface emitting semiconductor laser shown in FIG.
  • An example of a surface emitting semiconductor laser according to an embodiment of the present invention is a surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength in the 1060 nm band.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a surface emitting semiconductor laser 100 according to an embodiment.
  • a surface emitting semiconductor laser 100 includes a substrate 101, a lower DBR mirror 102 that is a lower semiconductor multilayer reflector formed on the substrate 101, a buffer layer 103, an n-type contact layer 104, An active layer 105 having a multiple quantum well structure, a current confinement layer 107 having a current confinement portion 107a located at the outer periphery and a circular current injection portion 107b located at the center of the current confinement portion 107a, and a p-type spacer layer 109 And a p + -type contact layer 111 are sequentially stacked.
  • the active layer 105 to the p + -type contact layer 111 constitute a cylindrical mesa post 130.
  • the substrate 101 is made of, for example, an undoped GaAs (100) substrate.
  • the lower DBR mirror 102 is composed of 34 pairs of GaAs / Al 0.9 Ga 0.1 As layers.
  • the buffer layer 103 is made of undoped GaAs.
  • the n-type contact layer 104 is made of n-type GaAs.
  • the active layer 105 has a structure in which three InGaAs well layers and four GaAs barrier layers are alternately stacked from the barrier layer, and the n-side cladding is formed from the lowermost GaAs barrier layer to the buffer layer 103. Acts as a layer.
  • the current confinement portion 107a is made of Al 2 O 3 and the current injection portion 107b is 6 ⁇ m to 15 ⁇ m in diameter and made of AlAs.
  • the p-type spacer layer 109 and the p + -type contact layer 111 are made of p-type and p + -type GaAs doped with carbon, respectively.
  • the acceptor or donor concentration of each p-type or n-type layer is, for example, 2 ⁇ 10 19 cm -3 smaller 1 ⁇ 10 18 cm -3, the acceptor concentration of the p + -type layer (dopant concentration) For example, 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • each semiconductor layer made of GaAs is about 3.45.
  • a ring-shaped (annular) p-side electrode 113 is provided on the p + -type contact layer 111.
  • the outer diameter of the p-side electrode 113 is, for example, 30 ⁇ m, and the inner diameter of the opening 113a is, for example, 10 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • a disk-shaped dielectric layer 114 made of, for example, silicon nitride (Si x N y ) is formed in the opening 113 a of the p-side electrode 113.
  • the dielectric layer 114 adjusts the phase of the standing wave in the resonator.
  • the uppermost GaAs barrier layer to the dielectric layer 114 function as a p-side cladding layer.
  • a portion from the upper surface of the dielectric layer 114 functioning as the phase adjustment layer to the bottom surface of the buffer layer 103 constitutes the resonator 110.
  • the p-side electrode 113 and the upper DBR mirror 116 which is an upper multilayer film reflecting mirror made of a dielectric material are formed from the top of the dielectric layer 114 to the outer periphery of the mesa post 130.
  • the upper DBR mirror 116 is a dielectric multilayer film reflecting mirror having a periodic structure of a high refractive index dielectric layer and a low refractive index dielectric layer, and is composed of, for example, 10 to 12 pairs of Si x N y / SiO 2. .
  • the n-type contact layer 104 extends radially outward from the lower portion of the mesa post 130, and a semi-annular n-side electrode 117 made of, for example, AuGeNi / Au is formed on the surface thereof.
  • the n-side electrode 117 has an outer diameter of 80 ⁇ m and an inner diameter of 40 ⁇ m.
  • a passivation film 118 made of a dielectric such as SiO 2 is formed on the entire surface for surface protection.
  • the SiO 2 passivation film 118 also serves as a SiO 2 lowermost layer of the upper DBR mirror 116.
  • the upper DBR mirror 116 made of Si x N y / SiO 2 has the lowermost layer being SiO 2 of the passivation film 118, on which Si x N y and SiO 2 are alternately laminated, and the uppermost layer Is a structure of Si x N y .
  • n-side lead electrode 119 made of Au is formed so as to come into contact with the n-side electrode 117 through the opening 121 formed in the passivation film 118.
  • a p-side lead electrode 120 made of Au is also formed so as to come into contact with the p-side electrode 113 through the opening 122 formed in the passivation film 118.
  • the n-side electrode 117 and the p-side electrode 113 are electrically connected to a current supply circuit (not shown) provided outside by an n-side lead electrode 119 and a p-side lead electrode 120, respectively.
  • the low resistance p + -type contact layer 111 flows further current path is constricted in the current injection section 107b by the current confinement layer 107, is supplied to the active layer 105 at a high current density.
  • the active layer 105 is carrier-injected and emits spontaneous emission light.
  • light having a wavelength ⁇ which is a laser oscillation wavelength forms a standing wave in the resonator 110 between the lower DBR mirror 102 and the upper DBR mirror 116 and is amplified by the active layer 105.
  • the injection current becomes equal to or greater than the threshold value, the light that forms the standing wave oscillates, and the 1060 nm band laser light is output from the opening 113a of the p-side electrode 113 in the ⁇ 100> direction of the substrate 101.
  • a nonlinear layer having optical nonlinearity with respect to the laser beam of the main mode is formed on at least one of the dielectric layer 114 and the upper DBR mirror 116.
  • the layers refraction at an oscillation wavelength of the laser beam of the main mode 1060nm of Si x N y film constituting the Si x N y layer and an upper DBR mirror 116 constituting the dielectric layer 114 was used rate 2.36 (hereinafter, referred to as non-linearity Si x N y such Si x N y).
  • FIG. 2 shows the wavelength dependence of the refractive index of the nonlinearity Si x N y used in this example.
  • the nonlinear Si x N y used in this example can be formed by plasma CVD using, for example, silane (SiH 4 ) gas and nitrogen (N 2 ) gas as source gases. When the non-linear Si x N y was formed, the flow rate ratio of the silane (SiH 4 ) gas to the nitrogen (N 2 ) gas was increased as compared with the case where the conventional Si x N y was formed.
  • Si x N y, x becomes larger than y
  • the density of Si x N y becomes larger.
  • the refractive index of Si x N y is increased, the nonlinearity of the dielectric layer 114 or the upper DBR mirror 116 is increased, and second harmonics are generated.
  • the non-linearity increases because the strain increases in the Si x N y thus formed, and the birefringence increases.
  • SiO 2 for example, silane as material gas (SiH 4) using gas and (N 2 O) gas, can be formed by a plasma CVD method.
  • a laser beam in the 1060 nm band is output from the opening 113a of the p-side electrode 113 in the ⁇ 100> direction of the substrate 101, and a laser beam with a wavelength of 530 nm is simultaneously generated as the second harmonic. Output in the ⁇ 100> direction of the substrate 101.
  • the lower DBR mirror 102, the buffer layer 103, the n-type contact layer 104, the active layer 105, the AlAs layer, the p-type spacer layer 109, and the p + -type contact layer 111 are sequentially stacked on the substrate 101 by the epitaxial growth method.
  • a disk-shaped dielectric layer 114 made of Si x N y is selectively formed on the p + type contact layer 111 by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) and photolithography.
  • the optical thickness of the dielectric layer 114 is ⁇ / 4.
  • a p-side electrode 113 made of a Pt / Ti layer is formed on the p + -type contact layer 111 around the dielectric layer 114 by using a lift-off method.
  • the semiconductor layer is etched to a depth reaching the n-type contact layer 104 using an acid etching solution or the like to form a cylindrical mesa post 130, and another mask is formed. Then, the n-type contact layer 104 is etched to a depth reaching the buffer layer 103.
  • heat treatment is performed in a steam atmosphere to selectively oxidize Al in the AlAs layer on the active layer 105 from the outer peripheral side of the mesa post 130.
  • a chemical reaction of 2AlAs + 3H 2 O ⁇ Al 2 O 3 + 2AsH 3 occurs in the outer peripheral portion of the layer corresponding to the current confinement layer 107, and the current confinement portion 107a is formed. Since the chemical reaction proceeds uniformly from the outer peripheral side of the layer corresponding to the current confinement layer 107, the current injection portion 107b made of AlAs is formed at the center.
  • the diameter of the current injection portion 107b is set to 6 ⁇ m to 15 ⁇ m by adjusting the heat treatment time and the like.
  • the surface emitting semiconductor laser 100 can be a multimode oscillation laser with good reproducibility in which the number of transverse modes during oscillation is stable.
  • n-side electrode 117 is formed on the surface of the n-type contact layer 104 on the outer peripheral side of the mesa post 130.
  • a passivation film 118 made of SiO 2 is formed on the entire surface by plasma CVD, openings 121 and 122 are formed in the passivation film 118 on the n-side electrode 117 and the p-side electrode 113, respectively.
  • An n-side lead electrode 119 that contacts the n-side electrode 117 and a p-side lead electrode 120 that contacts the p-side electrode 113 are formed through these openings 121 and 122, respectively.
  • the back surface of the substrate 101 is polished, and the thickness of the substrate 101 is adjusted to, for example, 150 ⁇ m. Thereafter, element isolation is performed to complete the surface emitting semiconductor laser 100 shown in FIG.
  • a non-linear layer is formed in the dielectric layer 114 and the upper DBR mirror 116 is formed.
  • a method of forming a nonlinear layer on the upper DBR mirror 116 was adopted.
  • a non-linear layer may be formed in at least one of the high refractive index dielectric layer or the low refractive index dielectric layer constituting the dielectric layer 114.
  • the nonlinear layer is formed of, for example, nonlinearity Si x N y .
  • the nonlinearity Si x N y is used for all of the Si x N y films which are high refractive index dielectric layers. It was.
  • the nonlinear Si x N y of this example was manufactured by plasma CVD using silane (SiH 4 ) gas and nitrogen (N 2 ) gas as source gases.
  • silane (SiH 4 ) gas and nitrogen (N 2 ) gas as source gases.
  • the flow rate ratio of silane (SiH 4 ) gas to nitrogen (N 2 ) gas is increased as compared to the case of producing conventional Si x N y (stoichiometric composition). I let you. In this way, the density of Si x N y increases, the refractive index increases, and the nonlinearity of the Si x N y film and thus the upper DBR mirror 116 of Si x N y / SiO 2 increases, resulting in a second order. Harmonics are generated.
  • SiO 2 was produced by a plasma CVD method using silane (SiH 4 ) gas and (N 2 O) gas as source gases.
  • FIG. 4 shows a module 200 that couples the surface emitting semiconductor laser 100 of the present embodiment to an optical fiber 220.
  • the module 200 includes a surface emitting semiconductor laser 100, a beam splitter 201, a filter 202, and a window 203.
  • the beam splitter 201 is a 45 degree half mirror.
  • the filter 202 absorbs the light in the 1060 nm band of the main mode from the light toward the window 203 and transmits the second harmonic light in the vicinity of 530 nm.
  • the light 210 from the surface emitting semiconductor laser 100 is composed of main mode light (light in the 1060 nm band in the present embodiment) and light of the second harmonic component (light in the present embodiment is 530 nm). Most of the light is reflected laterally by the beam splitter 201 and coupled to the optical fiber 220 for data link arranged in the lateral direction. A part of the light 210 from the surface emitting semiconductor laser 100 is transmitted through the beam splitter 201, and the light in the 1060 nm band of the main mode is absorbed by the filter 202, and the light 211 of the second harmonic component is formed in the upper part of the module. The light is emitted from the window 203 and enters the monitor 204 above it.
  • the monitor 204 detects the light emission of the second harmonic component and outputs the detection result, and as a result, the light emission of the main mode laser light can be indirectly detected and output based on the detection result. Further, the monitor 204 can measure and output the luminance of the second harmonic component, and can indirectly measure and output the output of the laser light in the main mode by the measurement.
  • Si x N y of the upper DBR mirror 116 has a large refractive index and nonlinearity, thereby increasing the nonlinearity of the upper DBR mirror 116 and generating the second harmonic. Yes. Since the second harmonic for monitoring is generated by the upper DBR mirror 116 in this way, no new structure is required and space saving is possible. Further, since it is not necessary to adopt an external resonator structure, it is possible to cope with a high modulation speed. On the other hand, the structure in which an external resonator is provided has a problem that high-speed modulation cannot be performed because the length of the resonator becomes very long. In addition, unlike the case where the second harmonic is generated by the superlattice layer inside the semiconductor, the basic performance characteristics of the surface emitting semiconductor laser are not deteriorated.
  • Si x N y of the upper DBR mirror 116 has a high refractive index and non-linearity to generate the second harmonic, but such an upper DBR mirror is used.
  • 116 is manufactured by using a flow rate ratio of silane (SiH 4 ) gas to nitrogen (N 2 ) gas as compared with the case of manufacturing conventional Si x N y (stoichiometry composition: Si 3 N 4 ). It only needs to be increased, no new manufacturing apparatus is required, and no new manufacturing process is required, so that the manufacturing cost is not increased.
  • the light of the second harmonic component is used as the monitor light instead of the light of the main mode. Therefore, even if the main mode light is light in the 1060 nm band (940 nm to 1100 nm) or light in the 1300 nm band (1150 nm to 1300 nm), the monitor light is light of about 530 nm or light of about 650 nm, respectively. Since it becomes light in the visible light range, its visibility is excellent. Therefore, the output degradation of the surface emitting semiconductor laser can be visually recognized, and the output monitor configuration can be simplified.
  • the surface emitting semiconductor laser of this embodiment can be used as the light source itself of laser light in the visible light range.
  • a dielectric multilayer reflector in which 10 to 12 layers of Si x N y and SiO 2 are alternately laminated is used as the upper DBR mirror 116, and the high refractive index layer of the dielectric multilayer reflector is used.
  • Si x N y nonlinear Si x N y having the wavelength dependence of the refractive index shown in FIG. 2 was used.
  • the refractive index of this nonlinear Si x N y was 2.36 at 1060 nm, which is the oscillation wavelength of the main mode laser beam.
  • the dielectric film constituting the dielectric layer 114 may be formed of nonlinear Si x N y .
  • both the dielectric film constituting the dielectric layer 114 and at least one layer of the dielectric film constituting the upper DBR mirror 116 may be formed of nonlinear Si x N y .
  • the nonlinear Si x N y used for the dielectric film of the dielectric layer or the high refractive index layer of the dielectric multilayer reflector is not limited to the one having a refractive index of 2.36 at a wavelength of 1060 nm.
  • a Si x N y film having a refractive index of 2.2 or more at a wavelength of 1060 nm is used for a dielectric layer or a dielectric multilayer reflector, a second harmonic is observed. Therefore, the refractive index of the nonlinear Si x N y used for the dielectric layer or the dielectric multilayer film reflecting mirror may be 2.2 or more at a wavelength of 1060 nm.
  • Si x N y having a refractive index exceeding 2.5 at a wavelength of 1060 nm when Si x N y having a refractive index exceeding 2.5 at a wavelength of 1060 nm is used, the absorption edge of Si x N y becomes longer than the oscillation wavelength of the main mode, which causes deterioration of the optical output of the main mode. Therefore, it is not preferable.
  • the oscillation wavelength of the main mode laser light is preferably longer than the absorption edge of Si x N y .
  • the composition and thickness of the layers constituting the lower DBR mirror 102 formed of a semiconductor multilayer film, the active layer 105 having a multiple quantum well structure, the upper DBR mirror 116 formed of a multilayer film, and the like of the surface emitting semiconductor laser 100 By changing the number of layers and the like, the oscillation wavelength of the main mode laser light can be variously changed. Even when the oscillation wavelength of the main mode laser light of the surface emitting semiconductor laser 100 is changed, the upper DBR mirror 116 in which SiO 2 and Si x N y having a refractive index of 2.2 or more at a wavelength of 1060 nm are stacked is used. Second harmonics corresponding to the oscillation wavelength of the main mode laser beam can be generated.
  • the second harmonic of 650 nm is generated.
  • the refractive index at a wavelength of 1060 nm is used in order to specify nonlinearity Si x N y having distortion that generates harmonics. If Si x N y having a refractive index of 2.2 or more at a wavelength of 1060 nm is used, distortion sufficient to generate harmonics is generated, so that the oscillation wavelength of the main mode laser light is 720 nm to 1660 nm.
  • the upper DBR mirror 116 of the present embodiment can be applied to a surface emitting semiconductor laser having a structure other than the surface emitting semiconductor laser 100 of the present embodiment.
  • Second harmonics can be generated according to the oscillation wavelength.
  • a dielectric multilayer film reflecting mirror in which a high refractive index layer and a low refractive index layer are alternately laminated, and the dielectric multilayer film reflecting mirror capable of generating a second harmonic is only a surface emitting semiconductor laser. It can also be applied to an edge emitting semiconductor laser. In the case of an edge-emitting semiconductor laser, the dielectric multilayer reflector is provided on either one of the laser end faces, or the reflectivity is controlled as necessary, and is provided on both end faces. A second harmonic of the oscillation wavelength of the laser beam can be generated.
  • the dielectric multilayer film reflecting mirror in which nonlinear Si x N y and SiO 2 are alternately laminated is used as a member for generating the second harmonic, but nonlinear Si x N y and Even if a material other than SiO 2 is used as the material to be combined, the second harmonic can be generated.
  • a dielectric multilayer reflector in which nonlinear Si x N y and MgF, CaF 2 , MgO, or Al 2 O 3 are alternately laminated can be preferably used.
  • the high refractive index dielectric layer has been described using a non-linear Si x N y film having a refractive index of 2.2 or more at a wavelength of 1060 nm, but the low refractive index dielectric layer has a wavelength.
  • Si x N y may not be used as the dielectric layer constituting the dielectric multilayer DBR mirror that generates the second harmonic.
  • TiO 2 is preferably used as the high refractive index layer.
  • MgF, CaF 2 , MgO, or Al 2 O 3 is preferably used as the low refractive index layer. In this case, distortion is introduced to such an extent that sufficient nonlinearity is generated in at least one of the high refractive index layer and the low refractive index layer until the generated harmonics are visible. By doing so, the second harmonic can be generated.
  • nonlinear Si x N y having a refractive index of 2.2 or more at a wavelength of 1060 nm is used for the dielectric layer 114 that is a phase adjusting layer, the nonlinear Si x N having a refractive index of 2.2 or more at a wavelength of 1060 nm. Even if y is not used for the dielectric multilayer DBR mirror, the second harmonic can be generated.
  • nonlinear Si x N y having a refractive index of 2.2 or more at a wavelength of 1060 nm may be used for both the dielectric layer 114 as a phase adjusting layer and the upper DBR mirror 116 formed of a dielectric multilayer film. it can. Also in this case, nonlinear Si x N y having a refractive index of 2.2 or more at a wavelength of 1060 nm is applied to at least one of the high refractive index layer and the low refractive index layer constituting the upper DBR mirror 116. Use it.
  • the nonlinear Si x N y having a refractive index of 2.2 or more at a wavelength of 1060 nm can be used, so that the second order in the visible light range. Harmonics can be generated. This is because the distortion in nonlinear Si x N y having a refractive index of 2.2 or more at a wavelength of 1060 nm is increased, and the birefringence is increased.
  • a wavelength selection filter that transmits light having a wavelength of 360 nm or more and 830 nm or less is preferably used as the filter 202 of the module 200 described with reference to FIG. 4
  • the oscillation wavelength of the main mode laser beam is 1000 nm or more and 1300 nm or less, a green second harmonic can be generated.
  • a wavelength selection filter that transmits light having a wavelength of 500 nm to 650 nm is preferably used.
  • a nonlinear Si x N y film having a density higher than the stoichiometric composition is used as the nonlinear layer.
  • the nonlinear layer according to the present invention is not limited to the nonlinear Si x N y film. Any film may be used as long as the film has optical nonlinearity with respect to the laser beam in the main mode by making the density larger than the stoichiometric composition.

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Abstract

　高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造を有する誘電体多層膜反射鏡（１１６）と、誘電体多層膜反射鏡（１１６）を少なくとも一方の端面とし、かつ、活性層（１０５）を含む共振器（１１０）とを備えた半導体レーザにおいて、高屈折率誘電体層および低屈折率誘電体層のいずれか一方の少なくとも一つの層に、主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備える。

Description

半導体レーザ、面発光半導体レーザ、半導体レーザモジュール、および、非線形光学素子
　本発明は、半導体レーザ、面発光半導体レーザ、半導体レーザモジュール、および、非線形光学素子に関し、特に、垂直共振器型の面発光半導体レーザ（VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting LASER）、それを用いた半導体レーザモジュール、および、第二次高調波発生用非線形光学素子に関する。
　従来の面発光半導体レーザとして、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラーである上部および下部多層膜反射鏡の間に活性層を含む複数の半導体層を積層した垂直共振器型面発光半導体レーザが開示されている（米国特許第６９１６６７２号公報、米国特許第６７５００７１号公報参照）。これらの面発光半導体レーザは、メサポスト構造を有すると共に、電流経路を制限して電流注入効率を上げるための電流狭窄層を備えている。この電流狭窄層は、外周に位置するＡｌ２Ｏ３からなる電流狭窄部と、電流狭窄部の中心に位置し、ＡｌＡｓからなる円形の電流注入部とを有する。この電流注入部は、面発光半導体レーザに電流を注入した際の電流経路になると共に、レーザ光が出射する開口部になる。このような構造を有する面発光半導体レーザは、例えば複数の素子によるアレイ型の超高速並列光リンクに用いられることが想定され、該リンクにおいては光出力をモニターすることが必要である。面発光半導体レーザの光出力のモニターは、通常、主モードの発振波長成分の一部をモニター光として取り出して行っており、そのためにモニター用の光検出器（モニターＰＤ（Photodiode））を用いている。例えば、ＣＡＮ型パッケージとした面発光半導体レーザモジュールの場合には、面発光半導体レーザの出射面の上部に、低反射率膜を設けた傾斜ミラーを設けることにより、モニター光をモニター用の光検出器へ分岐している。
　一方、面発光半導体レーザにおいて、主モードの発振波長とは別の波長の光を取り出す手段として、第二次高調波（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）を用いた手法が提案されている（米国特許第６２４３４０７号公報、Jpn. J. Appl. Phys. vol. 35 (1996) pp. 2559-2664参照）。効率の良いＳＨＧを得ることを目的として、米国特許第６２４３４０７号公報には、外部共振器の中にＳＨＧ変換素子を内蔵し、外部ミラーとの間で共振させる構造が開示されており、また、Jpn. J. Appl. Phys. vol. 35 (1996) pp. 2559-2664には共振器の内部に半導体超格子層を導入する構造が開示されている。
　しかしながら、面発光半導体レーザを光リンク等の構築のためにアレイ化して使用する場合、面発光半導体レーザの通常の出力モニターを採用しようとすると、モニター用の光検出器をそれぞれの面発光レーザに対応させて結合する必要が生じる。このような構造を面発光半導体レーザモジュール内部に搭載しようとすると、モジュール内にそれに相当するスペースが必要となるので、省スペース化が求められている現状からは適切ではない。また、ＳＨＧ効果で第二次高調波を形成する手法においても、米国特許第６２４３４０７号公報に開示の構造では外部共振器構造をとるので、早い変調速度に対応できない点、および、Jpn. J. Appl. Phys. vol. 35 (1996) pp. 2559-2664に開示の構造では基本波が導波路中の超格子層で吸収される点などの課題があり、駆動特性、量子効率などの基本性能を維持しつつ、第二次高調波を発生させることは難しいとされている。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、省スペース化が可能であり、かつ半導体レーザの駆動特性、量子効率などの基本性能の特性劣化を起こすことなく、出力モニター用の第二次高調波を発生することができる半導体レーザ、面発光半導体レーザ、当該半導体レーザまたは面発光半導体レーザを用いた半導体レーザモジュール、および、非線形光学素子を提供することを目的とする。
　本発明の第１の態様による面発光半導体レーザは、第１の反射鏡と、第１の反射鏡に対向する第２の反射鏡と、第１の反射鏡および第２の反射鏡との間に形成され、かつ、活性層を含む共振器と、を備える。第１の反射鏡は、高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造を有する誘電体多層膜反射鏡であり、第１の反射鏡および共振器の少なくとも一方に、主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備える。
　本発明の第２の態様による非線形光学素子は、高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造からなる誘電体多層膜を有し、高屈折率誘電体層および低屈折率誘電体層のいずれか一方の少なくとも一つの層に、伝播する主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備える。
　本発明の第３の態様による半導体レーザは、高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造を有する誘電体多層膜反射鏡と、誘電体多層膜反射鏡を少なくとも一方の端面とし、かつ、活性層を含む共振器と、を備える。誘電体多層膜反射鏡を構成する高屈折率誘電体層および低屈折率誘電体層のいずれか一方の少なくとも一つの層に、主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備える。
本発明の実施形態に係る面発光半導体レーザの模式的な断面図である。 図１に示す面発光半導体レーザの非線形層に使用する非線形性ＳｉｘＮｙ膜の屈折率の波長依存性を示すグラフである。 図１に示す面発光半導体レーザの誘電体多層膜の高屈折率層を非線形層にした場合の二次高調波の発振スペクトルの測定結果を示すグラフである。 図１に示す面発光半導体レーザを使用した面発光半導体レーザモジュールの模式図である。
　以下に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
　本発明の実施形態に係る面発光半導体レーザの一例は、レーザ発振波長が１０６０ｎｍ帯である面発光半導体レーザである。
　図１は、実施形態に係る面発光半導体レーザ１００の模式的な断面図である。図１に示すように、面発光半導体レーザ１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成された下部半導体多層膜反射鏡である下部ＤＢＲミラー１０２と、バッファ層１０３と、ｎ型コンタクト層１０４と、多重量子井戸構造を有する活性層１０５と、外周に位置する電流狭窄部１０７ａと電流狭窄部１０７ａの中心に位置する円形の電流注入部１０７ｂとを有する電流狭窄層１０７と、ｐ型スペーサ層１０９と、ｐ＋型コンタクト層１１１とが順次積層された構造を有する。活性層１０５からｐ＋型コンタクト層１１１までが円柱状のメサポスト１３０を構成している。
　レーザ発振波長が１０６０ｎｍ帯の場合、基板１０１は、例えば、アンドープのＧａＡｓ（１００）基板からなる。下部ＤＢＲミラー１０２は、ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の３４ペアからなる。バッファ層１０３は、アンドープのＧａＡｓからなる。ｎ型コンタクト層１０４は、ｎ型ＧａＡｓからなる。また、活性層１０５は、３つのＩｎＧａＡｓ井戸層と４つのＧａＡｓ障壁層が障壁層から交互に積層された構造を有しており、最下層のＧａＡｓ障壁層からバッファ層１０３までがｎ側のクラッド層として機能する。また、電流狭窄層１０７については、電流狭窄部１０７ａはＡｌ２Ｏ３からなり、電流注入部１０７ｂは、直径が６μｍ～１５μｍであり、ＡｌＡｓからなる。ｐ型スペーサ層１０９とｐ＋型コンタクト層１１１とは、それぞれ炭素をドープしたｐ型、ｐ＋型のＧａＡｓからなる。なお、各ｐ型またはｎ型層のアクセプタまたはドナー濃度（ドーパント濃度）は例えば２×１０１９ｃｍ－３より小さい１×１０１８ｃｍ－３であり、ｐ＋型層のアクセプタ濃度（ドーパント濃度）は例えば２×１０１９ｃｍ－３である。なお、ＧａＡｓからなる各半導体層の屈折率は約３．４５である。ｐ＋型コンタクト層１１１上には、リング状（環状）のｐ側電極１１３が設けられている。ｐ側電極１１３の外径は、例えば３０μｍであり、その開口部１１３ａの内径は、例えば１０μｍ～２０μｍである。
　また、ｐ側電極１１３の開口部１１３ａ内には、例えば窒化珪素（ＳｉｘＮｙ）からなる円板状の誘電体層１１４が形成されている。この誘電体層１１４により、共振器内の定在波の位相が調整される。この場合、最上層のＧａＡｓ障壁層から誘電体層１１４までがｐ側のクラッド層として機能する。この位相調整層として機能する誘電体層１１４の上面からバッファ層１０３の底面までの部分が共振器１１０を構成している。
　さらに、ｐ側電極１１３、及び、誘電体層１１４の上からメサポスト１３０の外周にわたって誘電体からなる上部多層膜反射鏡である上部ＤＢＲミラー１１６が形成されている。上部ＤＢＲミラー１１６は、高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造を有する誘電体多層膜反射鏡であり、例えばＳｉｘＮｙ／ＳｉＯ２の１０ペア～１２ペアからなる。
　ｎ型コンタクト層１０４は、メサポスト１３０の下部から半径方向外側に延びており、その表面に例えばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる半円環状のｎ側電極１１７が形成されている。ｎ側電極１１７は、例えば外径が８０μｍ、内径が４０μｍである。表面保護のためにＳｉＯ２などの誘電体からなるパッシベーション膜１１８が全面に形成されている。このパッシベーション膜１１８のＳｉＯ２は、上部ＤＢＲミラー１１６の最下層のＳｉＯ２を兼ねている。従って、ＳｉｘＮｙ／ＳｉＯ２からなる上部ＤＢＲミラー１１６は、その最下層は、パッシベーション膜１１８のＳｉＯ２であり、その上に、ＳｉｘＮｙとＳｉＯ２が交互に積層され、最上層がＳｉｘＮｙである構造となっている。
　ｎ側電極１１７に対して、パッシベーション膜１１８に形成された開口部１２１を介して接触するように、Ａｕからなるｎ側引き出し電極１１９が形成されている。ｐ側電極１１３に対しても、パッシベーション膜１１８に形成された開口部１２２を介して接触するように、Ａｕからなるｐ側引き出し電極１２０が形成されている。そして、ｎ側電極１１７およびｐ側電極１１３は、それぞれｎ側引き出し電極１１９およびｐ側引き出し電極１２０によって、外部に設けた電流供給回路（不図示）に電気的に接続している。
　面発光半導体レーザ１００は、電流供給回路からそれぞれｎ側引き出し電極１１９およびｐ側引き出し電極１２０を介してｎ側電極１１７およびｐ側電極１１３間に電圧を印加し、電流を注入すると、電流は主に低抵抗のｐ＋型コンタクト層１１１を流れ、さらに電流経路が電流狭窄層１０７によって電流注入部１０７ｂ内に狭窄されて、高い電流密度で活性層１０５に供給される。その結果、活性層１０５はキャリア注入されて自然放出光を発光する。自然放出光のうち、レーザ発振波長である波長λの光は、下部ＤＢＲミラー１０２と上部ＤＢＲミラー１１６との間の共振器１１０で定在波を形成し、活性層１０５によって増幅される。そして、注入電流がしきい値以上になると、定在波を形成する光がレーザ発振し、ｐ側電極１１３の開口部１１３ａから１０６０ｎｍ帯のレーザ光が基板１０１の<１００>方向に出力する。
　本発明においては、誘電体層１１４と上部ＤＢＲミラー１１６の少なくとも一方に主モードのレーザ光に対し光学的非線形性を有する非線形層が形成されている。例えば、誘電体層１１４を構成するＳｉｘＮｙ膜と上部ＤＢＲミラー１１６を構成するＳｉｘＮｙ膜の少なくとも一つの層の少なくとも一方に、主モードのレーザ光の発振波長である１０６０ｎｍで屈折率２．３６のものを用いた（以下、このようなＳｉｘＮｙを非線形性ＳｉｘＮｙと称する）。
　本実施例で使用した非線形性ＳｉｘＮｙの屈折率の波長依存性を図２に示す。図２には、従来のＳｉｘＮｙ（ストイキオメトリ組成、例えば、ｘ：ｙ＝３：４）の屈折率の波長依存性も併せて示している。本実施例に用いられた非線形性ＳｉｘＮｙは、例えば、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスと窒素（Ｎ２）ガスを使用して、プラズマＣＶＤ法により成膜することができる。非線形性ＳｉｘＮｙを成膜するときに、従来のＳｉｘＮｙを成膜する場合と比較して、窒素（Ｎ２）ガスに対するシラン（ＳｉＨ４）ガスの流量比を増加させた。このようにすると、ＳｉｘＮｙにおいて、ｘがｙより大きくなり、ＳｉｘＮｙの密度が大きくなる。その結果、ＳｉｘＮｙの屈折率が大きくなって、誘電体層１１４または上部ＤＢＲミラー１１６の非線形性が大きくなり、第二次高調波を発生するようになる。非線形性が大きくなるのは、このように成膜したＳｉｘＮｙにおいて歪が大きくなり、複屈折率（Birefringence）が大きくなるからであると考えられる。なお、ＳｉＯ２は、例えば、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスと（Ｎ２Ｏ）ガスを使用して、プラズマＣＶＤ法により成膜することができる。このように製作した面発光半導体レーザ１００は、ｐ側電極１１３の開口部１１３ａから１０６０ｎｍ帯のレーザ光が基板１０１の<１００>方向に出力するとともに第二次高調波として５３０ｎｍのレーザ光も同時に基板１０１の<１００>方向に出力する。
　つぎに、面発光半導体レーザ１００の製造方法について説明する。
　はじめに、エピタキシャル成長法によって、基板１０１上に下部ＤＢＲミラー１０２、バッファ層１０３、ｎ型コンタクト層１０４、活性層１０５、ＡｌＡｓ層、ｐ型スペーサ層１０９、ｐ＋型コンタクト層１１１を順次積層し、さらにプラズマＣＶＤ（化学気相成長：Chemical Vapor Deposition）法およびフォトリソグラフィ技術によって、ＳｉｘＮｙからなる円板状の誘電体層１１４をｐ＋型コンタクト層１１１上に選択的に形成する。誘電体層１１４の光学厚さはλ／４である。
　つぎに、リフトオフ法を用いて、誘電体層１１４の周囲のｐ＋型コンタクト層１１１上に、Ｐｔ／Ｔｉ層からなるｐ側電極１１３を形成する。
　つぎに、ｐ側電極１１３を金属マスクとして、酸エッチング液等を用いてｎ型コンタクト層１０４に到る深さまで半導体層をエッチングして円柱状のメサポスト１３０を形成し、さらに別のマスクを形成し、バッファ層１０３に到る深さまでｎ型コンタクト層１０４をエッチングする。
　つぎに、水蒸気雰囲気中において熱処理を行って、活性層１０５上のＡｌＡｓ層のＡｌをメサポスト１３０の外周側から選択酸化する。このとき、電流狭窄層１０７に相当する層の外周部において２ＡｌＡｓ＋３Ｈ２Ｏ→Ａｌ２Ｏ３＋２ＡｓＨ３なる化学反応が起こり、電流狭窄部１０７ａが形成される。上記化学反応は電流狭窄層１０７に相当する層の外周側から均一に進行するので、中心にはＡｌＡｓからなる電流注入部１０７ｂが形成される。ここでは、熱処理時間等を調整して、電流注入部１０７ｂの直径を６μｍ～１５μｍとする。このように電流注入部１０７ｂを形成するので、メサポスト１３０の中心と、電流注入部１０７ｂの中心と、さらにｐ側電極１１３の開口部１１３ａの中心とを高精度に一致させることができる。その結果、面発光半導体レーザ１００を発振時の横モード数が安定している再現性の良いマルチモード発振レーザとすることができる。
　つぎに、メサポスト１３０の外周側のｎ型コンタクト層１０４の表面に、半円環状のｎ側電極１１７を形成する。つぎに、プラズマＣＶＤ法を用いて全面にＳｉＯ２からなるパッシベーション膜１１８を形成した後、ｎ側電極１１７およびｐ側電極１１３上においてパッシベーション膜１１８に開口部１２１および１２２をそれぞれ形成する。これらの開口部１２１および１２２を介してｎ側電極１１７に接触するｎ側引き出し電極１１９と、ｐ側電極１１３に接触するｐ側引き出し電極１２０をそれぞれ形成する。
　つぎに、プラズマＣＶＤ法を用いて上部ＤＢＲミラー１１６を形成した後に、基板１０１の裏面を研磨し、基板１０１の厚さを例えば１５０μｍに調整する。その後、素子分離を行い、図１に示す面発光半導体レーザ１００が完成する。
　ここでは、本発明の一実施例として、上記の製造方法によって、図１に示す構造を有する面発光レーザを製造するため、誘電体層１１４に非線形層を形成するのと、上部ＤＢＲミラー１１６に非線形層を形成するのと、誘電体層１１４および上部ＤＢＲミラー１１６の両方に非線形層を形成するのと、の３通りのうち、上部ＤＢＲミラー１１６に非線形層を形成する方法を採択した。この場合、誘電体層１１４を構成する高屈折率誘電体層または低屈折率誘電体層の少なくとも一つの層に非線形層を形成すれば良い。当該非線形層は、例えば、非線形性ＳｉｘＮｙで形成される。ただし、本実施例では、非線形性を高め、第二次高調波の発生効率を向上させるため、高屈折率誘電体層であるＳｉｘＮｙ膜の全てに、非線形性ＳｉｘＮｙを用いた。
　本実施例の非線形性ＳｉｘＮｙは、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスと窒素（Ｎ２）ガスを使用して、プラズマＣＶＤ法により製造した。非線形性ＳｉｘＮｙを製造するときには、従来のＳｉｘＮｙ（ストイキオメトリ組成）を製造する場合と比較して、窒素（Ｎ２）ガスに対するシラン（ＳｉＨ４）ガスの流量比を増加させた。このようにすると、ＳｉｘＮｙの密度が大きくなり、屈折率が大きくなって、ＳｉｘＮｙ膜ひいてはＳｉｘＮｙ／ＳｉＯ２の上部ＤＢＲミラー１１６の非線形性が大きくなって第二次高調波を発生するようになる。なお、ＳｉＯ２は、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスと（Ｎ２Ｏ）ガスを使用して、プラズマＣＶＤ法により製造した。
　この面発光半導体レーザ１００について、２５℃温度での通電下での発振波長スペクトルを測定したところ、１０６０ｎｍ帯の主モードのレーザ光に加えて、図３に示すように５３０ｎｍ付近の発光を得た。
　図４に本実施形態の面発光半導体レーザ１００を光ファイバー２２０と結合させるモジュール２００を示す。
　モジュール２００は、面発光半導体レーザ１００と、ビームスプリッター２０１と、フィルタ２０２と、窓２０３とを備えている。ビームスプリッター２０１は、４５度ハーフミラーからなっている。フィルタ２０２は、本実施例において、窓２０３に向かう光から主モードの１０６０ｎｍ帯の光を吸収し、５３０ｎｍ付近の第二次高調波の光を透過させる。
　面発光半導体レーザ１００からの光２１０は、主モードの光（本実施形態では１０６０ｎｍ帯の光）と第二次高調波成分の光（本実施形態では５３０ｎｍの光）からなっているが、この光の大部分はビームスプリッター２０１によって横方向に反射され、横方向に配置されたデータリンク用の光ファイバー２２０へ結合される。面発光半導体レーザ１００からの光２１０の一部は、ビームスプリッター２０１を透過し、フィルタ２０２によって、主モードの１０６０ｎｍ帯の光が吸収され、第二次高調波成分の光２１１がモジュール上部に形成した窓２０３より放出され、その上のモニター２０４に入射する。
　モニター２０４によって、第二次高調波成分の発光を検出して検出結果を出力し、ひいてはその検出結果によって主モードのレーザ光の発光を間接的に検出し出力することができる。また、モニター２０４によって、第二次高調波成分の輝度を測定してそれを出力し、ひいてはその測定によって主モードのレーザ光の出力を間接的に測定し出力することができる。
　本実施例においては、上部ＤＢＲミラー１１６のＳｉｘＮｙを屈折率が大きく非線形性を有するものとすることにより、上部ＤＢＲミラー１１６の非線形性を大きくして第二次高調波を発生させている。このように上部ＤＢＲミラー１１６によってモニター用の第二次高調波を発生させているので、何ら新たな構造を必要とせず、省スペース化が可能である。また、外部共振器構造をとる必要もないため、早い変調速度に対応可能である。これに対して外部共振器を設ける構造だと、共振器の長さが非常に長くなってしまう等の理由により、高速変調できないという問題がある。また、半導体内部の超格子層によって第二次高調波を発生させる場合のように、面発光半導体レーザの基本性能の特性劣化を起こすこともない。
　また、本実施形態においては、上部ＤＢＲミラー１１６のＳｉｘＮｙを屈折率が大きく非線形性を有するものとすることによって、第二次高調波を発生させているが、このような上部ＤＢＲミラー１１６を製造するには、従来のＳｉｘＮｙ（ストイキオメトリ組成：Ｓｉ３Ｎ４）を製造する場合と比較して、窒素（Ｎ２）ガスに対するシラン（ＳｉＨ４）ガスの流量比を増加させるだけでよく、新たな製造装置が必要になることもなく、新たな製造プロセスが必要になることもないので、製造コストの増加を招くこともない。
　本実施形態によれば、モニター光として、主モードの光ではなく、その第二次高調波成分の光を使用する。したがって、主モードの光が１０６０ｎｍ帯（９４０ｎｍ～１１００ｎｍ）の光、または、１３００ｎｍ帯（１１５０ｎｍ～１３００ｎｍ）の光であっても、モニター光は、それぞれ、約５３０ｎｍの光、または、約６５０ｎｍの光と可視光域の光となるので、その視認性に優れる。従って、面発光半導体レーザの出力劣化が視認できるようになり、出力モニター構成を簡略化できるようになる。
　また、本実施形態の面発光半導体レーザを、可視光域のレーザ光の光源そのものとして使用することもできる。
　本実施形態においては、上部ＤＢＲミラー１１６として、ＳｉｘＮｙとＳｉＯ２を交互にそれぞれ１０～１２層積層した誘電体多層膜反射鏡を使用し、誘電体多層膜反射鏡の高屈折率層であるＳｉｘＮｙとしては、図２に示す屈折率の波長依存性を持つ非線形性ＳｉｘＮｙを使用した。この非線形性ＳｉｘＮｙの屈折率は、主モードのレーザ光の発振波長である１０６０ｎｍにおいて２．３６であった。しかし、誘電体多層膜反射鏡の高屈折率層を全て非線形性ＳｉｘＮｙである形成する必要はなく、そのうち少なくとも一つの層を非線形性ＳｉｘＮｙで形成すれば良い。さらに、上記のように、誘電体層１１４を構成する誘電体膜が、非線形性ＳｉｘＮｙで形成されてもよい。また、誘電体層１１４を構成する誘電体膜と、上部ＤＢＲミラー１１６を構成する誘電体膜の少なくとも一つの層との両方を、非線形性ＳｉｘＮｙで形成しても良い。
　誘電体層の誘電体膜、又は、誘電体多層膜反射鏡の高屈折率層に使用する非線形性ＳｉｘＮｙは、波長１０６０ｎｍにおいて２．３６の屈折率を有するものに限定されない。波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上のＳｉｘＮｙ膜を誘電体層又は誘電体多層膜反射鏡に使用すると第二次高調波が観測される。したがって、誘電体層又は誘電体多層膜反射鏡に使用する非線形性ＳｉｘＮｙの屈折率としては、波長１０６０ｎｍにおいて２．２以上であれば良い。
　一方、波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．５を超えたＳｉｘＮｙを使用すると、主モードの発振波長よりもＳｉｘＮｙの吸収端が長くなってしまい、主モードの光出力劣化を引き起こすので、好ましくない。
　このように、ＳｉｘＮｙの吸収端を考慮すると、主モードのレーザ光の発振波長はＳｉｘＮｙの吸収端よりも長波長であることが好ましい。
　また、面発光半導体レーザ１００の、半導体多層膜で形成された下部ＤＢＲミラー１０２、多重量子井戸構造の活性層１０５、多層膜で形成された上部ＤＢＲミラー１１６等を構成する層の組成、膜厚、層数等を変更することによって、主モードのレーザ光の発振波長を種々変化させることができる。面発光半導体レーザ１００の主モードのレーザ光の発振波長を変化させた場合においても、ＳｉＯ２と、波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上のＳｉｘＮｙとを積層した上部ＤＢＲミラー１１６によって、主モードのレーザ光の発振波長に応じた第二次高調波を発生させることができ、例えば、主モードのレーザ光の発振波長帯が１３００ｎｍの場合には、６５０ｎｍの第二次高調波を発生させることができる。なお、高調波を発生させる歪を有する非線形性ＳｉｘＮｙを特定するために、波長１０６０ｎｍにおける屈折率を用いている。波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上の屈折率を有するＳｉｘＮｙを使用すれば、高調波を発生させるに十分な歪が生じるので、主モードのレーザ光の発振波長が７２０ｎｍ～１６６０ｎｍの面発光半導体レーザ１００において、主モードのレーザ光の発振波長に応じた波長を有する第二次高調波を発生させることができる。
　また、上記本実施形態の上部ＤＢＲミラー１１６は、上記本実施形態の面発光半導体レーザ１００以外の構造の面発光半導体レーザに適用でき、その場合にも、上部ＤＢＲミラー１１６によって主モードのレーザ光の発振波長に応じた第二次高調波を発生することができる。
　また、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した誘電体多層膜反射鏡であって、第二次高調波を発生することができる誘電体多層膜反射鏡は、面発光半導体レーザのみならず、端面出射半導体レーザにも適用できる。端面出射半導体レーザの場合には、当該誘電体多層膜反射鏡をレーザ端面の何れか一方に設けることによって、または必要に応じて反射率を制御し、両側の端面に設けることによって、主モードのレーザ光の発振波長の第二次高調波を発生することができる。
　上記本実施形態においては、第二次高調波を発生させる部材として、非線形性ＳｉｘＮｙとＳｉＯ２を交互に積層した誘電体多層膜反射鏡を使用したが、非線形性ＳｉｘＮｙと組み合わせる材料として、ＳｉＯ２以外のものを使用しても第二次高調波を発生することができる。例えば、非線形性ＳｉｘＮｙと、ＭｇＦ、ＣａＦ２、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３とが交互に積層された誘電体多層膜反射鏡が好ましく使用できる。
　また、上記本実施形態においては、高屈折率誘電体層として波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙ膜を用いて説明してきたが、低屈折率誘電体層として波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙ膜を用い、かつ高屈折率誘電体層としてＴｉＯ２等、屈折率が当該ＳｉｘＮｙ膜より高い適切な誘電体を用いることもできる。
　また、第二次高調波を発生する誘電体多層膜ＤＢＲミラーを構成する誘電体層として、ＳｉｘＮｙを使用しなくてもよく、例えば、高屈折率層として、ＴｉＯ２が好ましく使用される。また、低屈折率層としては、ＳｉＯ２以外にも例えば、ＭｇＦ、ＣａＦ２、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３が好ましく使用される。この場合には、高屈折率層および低屈折率層のいずれか一方の少なくもと一つの層に、発生する高調波が視認可能な程度まで、十分な非線形性が生じる程度に、歪を導入することによって第二次高調波を発生させることができる。
　また、波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙを位相調整層である誘電体層１１４に使用すれば、波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙを誘電体多層膜ＤＢＲミラーに使用しなくても、第二次高調波を発生させることができる。
　さらに、波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙを、位相調整層である誘電体層１１４および誘電体多層膜で形成された上部ＤＢＲミラー１１６の両方に使用することもできる。この場合も、上部ＤＢＲミラー１１６を構成する高屈折率層および低屈折率層のいずれか一方の少なくもと一つの層に波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙを使用すれば良い。
　主モードのレーザ光の発振波長として、７２０ｎｍ以上１６６０ｎｍ以下のものを使用すれば、波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙを用いることによって、可視光域の第二次高調波を発生させることができる。これは、波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙにおける歪が大きくなり、複屈折率（Birefringence）が大きくなるからである。この場合には、図４を参照して説明したモジュール２００のフィルタ２０２として、波長３６０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の光を透過する波長選択フィルタが好ましく使用される。
　また、主モードのレーザ光の発振波長として、１０００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下のものを使用すれば、緑色の第二次高調波を発生させることができる。この場合には、図４を参照して説明したモジュール２００のフィルタ２０２として、波長５００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の光を透過する波長選択フィルタが好ましく使用される。
　上記の実施形態では、非線形層として、ストイキオメトリ組成より密度の大きい非線形性ＳｉｘＮｙ膜を用いたが、本発明にかかる非線形層は、非線形性ＳｉｘＮｙ膜に限定されない。ストイキオメトリ組成より密度を大きくすることによって、主モードのレーザ光に対する光学的非線形性を有する膜であれば如何なる材質の膜でも良い。
　種々の典型的な実施形態を示しかつ説明してきたが、本発明はそれらの実施形態に限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更また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、請求の範囲の記載から明らかである。従って、本発明の範囲は、次の請求の範囲によってのみ限定されるものである。
　請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、および、方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
　１００　面発光半導体レーザ
　１０１　基板
　１０２　下部ＤＢＲミラー 
　１０３　バッファ層 
　１０４　ｎ型コンタクト層 
　１０５　活性層 
　１０７　電流狭窄層
　１０７ａ　電流狭窄部
　１０７ｂ　電流注入部
　１０９　ｐ型スペーサ層 
　１１０　共振器 
　１１１　ｐ＋型コンタクト層 
　１１３　ｐ側電極
　１１３ａ　開口部
　１１４　誘電体層 
　１１６　上部ＤＢＲミラー 
　１１７　ｎ側電極 
　１１８　パッシベーション膜 
　１１９　電極 
　１２０　電極 
　１２１　開口部 
　１２２　開口部 
　１３０　メサポスト 
　２００　モジュール 
　２０１　ビームスプリッター 
　２０２　フィルタ 
　２０３　窓 
　２０４　モニター 
　２１０　光 
　２１１　光 
　２２０　光ファイバー

Claims (20)

  1. 　第１の反射鏡と、
    　前記第１の反射鏡に対向する第２の反射鏡と、
    　前記第１の反射鏡および前記第２の反射鏡との間に形成され、かつ、活性層を含む共振器と、
    　を備えた面発光半導体レーザであって、
    　前記第１の反射鏡は、高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造を有する誘電体多層膜反射鏡であり、
    　前記第１の反射鏡および前記共振器の少なくとも一方に、主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備えた面発光半導体レーザ。
  2. 　前記非線形層は前記主モードのレーザ光の第二次高調波成分の光を発生する請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
  3. 　前記高屈折率誘電体層および前記低屈折率誘電体層のいずれか一方の少なくとも一つの層が、前記非線形層である請求項２に記載の面発光半導体レーザ。
  4. 　前記共振器は、該共振器内の定在波の位相を調整するための位相調整層をさらに含み、
    　前記非線形層は、前記位相調整層にさらに設けられた請求項３に記載の面発光半導体レーザ。
  5. 　前記共振器は、該共振器内の定在波の位相を調整するための位相調整層をさらに含み、
    　前記非線形層は、前記位相調整層に設けられた請求項２に記載の面発光半導体レーザ。
  6. 　前記非線形層は、波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上２．５以下の非線形性ＳｉｘＮｙからなる請求項２から５の何れか一項に記載の面発光半導体レーザ。
  7. 　前記非線形性ＳｉｘＮｙの吸収端が、前記主モードのレーザ光の発振波長よりも短波長側である請求項６に記載の面発光半導体レーザ。
  8. 　前記発振波長が、７２０ｎｍ以上１６６０ｎｍ以下である請求項７に記載の面発光半導体レーザ。
  9. 　請求項２から８の何れか一項に記載の面発光半導体レーザと、
    　前記面発光半導体レーザからの光を分岐するビームスプリッターと、
    　前記ビームスプリッターによって分岐された光のうちの一方の光から前記主モードの光を遮光し、前記第二次高調波成分の光を透過させるフィルタと、
    　を備える半導体レーザモジュール。
  10. 　高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造からなる誘電体多層膜を有し、前記高屈折率誘電体層および前記低屈折率誘電体層のいずれか一方の少なくとも一つの層に、伝播する主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備えた非線形光学素子。
  11. 　前記非線形層は前記主モードのレーザ光の第二次高調波成分の光を発生する請求項１０に記載の非線形光学素子。
  12. 　前記非線形層は、波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上２．５以下の非線形性ＳｉｘＮｙからなる請求項１０又は１１に記載の非線形光学素子。
  13. 　前記非線形性ＳｉｘＮｙの吸収端が、前記主モードのレーザ光の発振波長よりも短波長側である請求項１２に記載の非線形光学素子。
  14. 　前記発振波長が、７２０ｎｍ以上１６６０ｎｍ以下である請求項１３に記載の非線形光学素子。
  15. 　高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造を有する誘電体多層膜反射鏡と、
    　前記誘電体多層膜反射鏡を少なくとも一方の端面に有し、かつ、活性層を含む共振器と、
    　を備えた半導体レーザであって、
    　前記高屈折率誘電体層および前記低屈折率誘電体層のいずれか一方の少なくとも一つの層に、主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備えた半導体レーザ。
  16. 　前記非線形層は前記主モードのレーザ光の第二次高調波成分の光を発生する請求項１５に記載の半導体レーザ。
  17. 　前記非線形層は、波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上２．５以下の非線形性ＳｉｘＮｙからなる請求項１６に記載の半導体レーザ。
  18. 　前記非線形性ＳｉｘＮｙの吸収端が、前記主モードのレーザ光の発振波長よりも短波長側である請求項１７に記載の半導体レーザ。
  19. 　前記発振波長が、７２０ｎｍ以上１６６０ｎｍ以下である請求項１８に記載の半導体レーザ。
  20. 　請求項１６から１９の何れか一項に記載の半導体レーザと、
    　前記半導体レーザからの光を分岐するビームスプリッターと、
    　前記ビームスプリッターによって分岐された光のうちの一方の光から前記主モードの光を遮光し、前記第二次高調波成分の光を透過させるフィルタと、
    　を備える半導体レーザモジュール。
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