(57)【要約】【課題】ポンプレーザが一体に結合された外部共振器型面発光レーザを提供する。【解決手段】第１波長を有する光を発生させる量子ウェル構造の第１活性層（１２２と、第１活性層の一の面上に形成された反射層（１２１）と、第１活性層（１２２）の他の面に所定距離離隔されて位置し、第１活性層（１２１）で発生した光の一部を透過させて外部に出力し、残り一部を第１活性層で再吸収されるように反射する外部ミラー（１２４）と、第１波長より短い光ポンピング用の第２波長を有する光を第１活性層（１２２）に提供するために、反射層（１２１）上に一体的に形成されたポンプレーザ（１１０）とを具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１波長を有する光を発生させる量子ウェル構造の第１活性層と、
前記第１活性層の一の面上に形成された反射層と、
前記第１活性層の他の面から所定距離離隔されて位置し、前記第１活性層で発生した光の一部を透過させて外部に出力し、残り一部を前記第１活性層で再吸収されるように反射する外部ミラーと、
前記第１波長より短い光ポンピング用の第２波長を有する光を前記第１活性層に提供するために、前記反射層上に一体的に形成されたポンプレーザと、
を具備することを特徴とする外部共振器型面発光レーザ。
【請求項２】
前記ポンプレーザは、側面発光型レーザの構造を有し、前記ポンプレーザで発生した第２波長の光を前記第１活性層に提供するための傾斜ミラーが前記ポンプレーザの一側に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項３】
前記ポンプレーザは、前記反射層上に順次に積層されたｎ−コンタクト層、ｎ−クラッド層、前記第２波長を有する光を発生させる第２活性層、ｐ−クラッド層、及びｐ−コンタクト層を具備し、
前記ｎ−クラッド層、前記第２活性層、及び前記ｐ−クラッド層の少なくとも一側は、前記傾斜ミラーが付着されるように傾斜して形成されており、他側には、前記傾斜ミラーに向かって前記第２波長の光を反射するための反射ミラーが垂直に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項４】
前記反射層は、前記第２活性層で発生した第２波長を有する光の一部を通過させて前記第１活性層に提供し、残り一部を前記傾斜ミラーを介して前記反射ミラーに反射することを特徴とする請求項３に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項５】
前記反射層は、前記第１波長を有する光及び前記第２波長を有する光に対して最も高い反射率を有する分散ブラッグ反射器であることを特徴とする請求項４に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項６】
前記第１波長のための共振器は、前記反射層と前記外部ミラーとの間に形成され、
前記第２波長のための共振器は、前記反射ミラーと前記反射層との間に形成され、前記傾斜ミラーにより実質的に直角に折り曲げられていることを特徴とする請求項４に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項７】
前記第１活性層を支持する基板が前記第１活性層の他の面上に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項８】
前記第１活性層で発生した第１波長を有する光が進む光路と対応する前記基板の一の部分が切開されていることを特徴とする請求項７に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項９】
前記第１活性層と前記外部ミラーとの間に位置し、前記第１波長を有する光の周波数を２倍にするＳＨＧ結晶をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項１０】
第１波長を有する光を発生させる量子ウェル構造の第１活性層と、
前記第１活性層の上面に形成された反射層と、
前記反射層の上面に順次に積層されたｎ−コンタクト層、ｎ−クラッド層、第１波長より短い第２波長を有する光を発生させる第２活性層、ｐ−クラッド層、及びｐ−コンタクト層を具備するポンプレーザ部と、
前記第１活性層の下面から離隔されて位置し、前記第１活性層で発生した光の一部を透過させて外部に出力し、残り一部を前記第１活性層で再吸収されるように反射する外部ミラーと、を具備し、
前記ｎ−クラッド層、前記第２活性層、及び前記ｐ−クラッド層の一側には、前記第２波長を有する光を前記第２活性層に対して平行な方向に反射する反射ミラーが形成されており、他側には、前記第２波長の光を前記反射層に対して実質的に直交するように反射する傾斜ミラーが形成されていることを特徴とする外部共振器型面発光レーザ。
【請求項１１】
前記反射層は、前記第２活性層で発生した第２波長を有する光の一部を通過させて前記第１活性層に提供し、残り一部を前記傾斜ミラーを介して前記反射ミラーに反射することを特徴とする請求項１０に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項１２】
前記反射層は、前記第１波長の光及び前記第２波長を有する光に対して最も高い反射率を有する分散ブラッグ反射器であることを特徴とする請求項１１に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項１３】
前記第１波長のための共振器は、前記反射層と前記外部ミラーとの間に形成され、
前記第２波長のための共振器は、前記反射ミラーと前記反射層との間に形成され、前記傾斜ミラーにより実質的に直角に折り曲げられていることを特徴とする請求項１０から請求項１２のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項１４】
前記第１活性層を支持する基板が前記第１活性層の下面に配置されていることを特徴とする請求項１０から請求項１２のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項１５】
前記第１活性層で発生した第１波長を有する光が進む光路と対応する前記基板の一の部分が切開されていることを特徴とする請求項１４に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【請求項１６】
前記第１活性層と外部ミラーとの間に位置し、前記第１波長を有する光の周波数を２倍にするＳＨＧ結晶をさらに備えることを特徴とする請求項１０から請求項１２のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部共振器型面発光レーザに係り、さらに詳細には、ポンプレーザが一体に結合された外部共振器型面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体レーザには、発振されるビームが基板に水平方向に放出される側面発光レーザ（Ｅｄｇｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）と、発振されるビームが基板に垂直方向に放出される面発光レーザ（または、垂直共振器型面発光レーザ）（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）とがある。これらのうち、ＶＣＳＥＬは、非常に狭いスペクトルの単一縦モード発振を行うもので、ビームの反射角が小さいという特徴を有する。また、面発光の構造上、他の装置への集積が容易であるという利点がある。しかしながら、ＶＣＳＥＬは、単一横モード発振が側面発光レーザに比べて非常に困難であり、単一横モード動作のためには、発振領域の面積が狭くする必要がある。この結果、出力が弱くなってしまうという問題がある。
【０００３】
前述のＶＣＳＥＬの利点を生かすと同時に、高出力動作を具現するために提案されたレーザ素子としては、外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）がある。このＶＥＣＳＥＬは、ＶＣＳＥＬの上部ミラーを外部のミラー（Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ）に代替して利得領域（Ｇａｉｎ  Ｒｅｇｉｏｎ）を増加させることにより、数Ｗ〜数十Ｗ以上の高出力を得るようにしている。
【０００４】
図１は、従来の光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬの概略的な断面図である。図１に図示されているように、従来の光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬ１０は、ヒートシンク１１上に順次に形成された分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層１２と、活性層１３と、活性層１３上に所定の間隔をおいて配置された外部ミラー１４と、活性層１３を励起させるためのポンプレーザ１６とを備える。また、活性層１３と外部ミラー１４との間には、光の周波数を２倍にする二次調和波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）結晶１５を配置できる。活性層１３は、例えば、ＲＰＧ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｐｅｒｉｏｄｉｃ  Ｇａｉｎ）構造を有する多重量子ウェル構造であり、所定の波長を有する光を放出する。ヒートシンク１２は、活性層１３で発生する熱を放出し、活性層１３を冷却させる役割を果たす。共振キャビティは、ＤＢＲ層１２と凹型外部ミラー１４との間に形成される。また、ポンプレーザ１６は、活性層１３から放出される光の波長より短い波長の光を、レンズアレイ１７を介して活性層１３に入射させ、活性層１３を励起させる。
【０００５】
上記のような構造において、ポンプレーザ１６から放出された比較的短い波長の光がレンズ１７を介して活性層１３に入射されれば、活性層１３が励起されつつ、特定波長の光を放出する。このように発生した光は、活性層１３下部のＤＢＲ層１２と外部ミラー１４との間で反射を繰り返しつつ、活性層１３を往復する。かかる過程を介して活性層１３内で増幅された光の一部は、前記外部ミラー１４を介してレーザビームとして外部に出力され、残りは再び反射され、活性層１３での光ポンピングに使われる。
【０００６】
しかし、前述のような構造のＶＥＣＳＥＬ１０の場合、活性層１３とポンプレーザ１６とを別途に製作した後で結合せねばならない。また、ポンプレーザ１６から放出された光が活性層１３に適切な角度で入射されるようにポンプレーザ１６を配置しなければならず、ポンプレーザ１６と活性層１３との間にレンズアレイ１７を配置しなければならない。従って、レーザ素子を大量に生産することが難しいだけでなく、レーザ素子の全体的なサイズも増大してしまう。この結果、製造時間及び製造コストが増加してしまうという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、単一工程でポンプレーザと活性層とを一度に製造することにより、ポンプレーザの配置のための別途の工程を必要とせず、安価なコストで大量生産が可能である小型のＶＥＣＳＥＬを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するための本発明に係る外部共振器型面発光レーザは、第１波長を有する光を発生させる量子ウェル構造の第１活性層と、前記第１活性層の一の面上に形成された反射層と、前記第１活性層の他の面から所定距離離隔されて位置し、前記第１活性層で発生した光の一部を透過させて外部に出力し、残り一部を前記第１活性層で再吸収されるように反射する外部ミラーと、第１波長より短い光ポンピング用の第２波長の光を前記第１活性層に提供するために、前記反射層上に一体的に形成されたポンプレーザとを具備することを特徴とする。
【０００９】
また、前記ポンプレーザは、側面発光型レーザの構造を有し、前記ポンプレーザで発生した第２波長の光を前記第１活性層に提供するための傾斜ミラーが前記ポンプレーザの一側に形成されている。
【００１０】
また、前記ポンプレーザは、前記反射層上に順次に積層されたｎ−コンタクト層、ｎ−クラッド層、第２波長の光を発生させる第２活性層、ｐ−クラッド層、及びｐ−コンタクト層を具備し、前記ｎ−クラッド層、前記第２活性層、及びｐ−クラッド層の少なくとも一側は、前記傾斜ミラーが付着されるように傾斜して形成されており、他側には、前記傾斜ミラーに向かって前記第２波長の光を反射するための反射ミラーが垂直に形成されている構造である。
【００１１】
このとき、前記反射層は、前記第２活性層で発生した第２波長の光の一部を通過させて第１活性層に提供し、残り一部を前記傾斜ミラーを介して反射ミラーに反射する。このために、前記反射層は、前記第１波長及び第２波長の光に対して最高の反射率を有するＤＢＲであることが望ましい。
【００１２】
従って、前記第１波長のための共振器は、前記反射層と外部ミラーとの間に形成され、前記第２波長のための共振器は、前記反射ミラーと反射層との間に形成され、前記傾斜ミラーにより実質的に直角に折り曲げられている。
【００１３】
一方、前記第１活性層を支持する基板は、前記第１活性層の前記他の面上に配置される。ここで、前記基板は、前記第１活性層で発生した第１波長の光が進む光路と対応する基板の一の部分が切開されていることが望ましい。
【００１４】
また、本発明に係るＶＥＣＳＥＬは、前記第１波長を有する光の周波数を２倍にするＳＨＧ結晶を前記第１活性層と外部ミラーとの間にさらに備えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るＶＥＣＳＥＬによれば、ポンプレーザ部と面発光レーザ部とが単一工程を介して一度に製造することができる。従って、ポンプレーザ及び前記ポンプレーザから放出された光を集束するレンズアレイの配置のための別途の複雑な工程を必要としない。その結果、レーザ素子の製造時間を大幅に短縮することができ、レーザ素子を安価なコストで大量生産することができる。また、従来に比べてはるかに小さいレーザ素子を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施の形態に係るＶＥＣＳＥＬについて詳細に説明する。
【００１７】
図２は、本実施の形態によるポンプレーザが一体に結合されたＶＥＣＳＥＬの構造を示す断面図である。
【００１８】
図２を参照すれば、本実施の形態に係るＶＥＣＳＥＬ１００は、ポンプレーザ部１１０と面発光レーザ部１２０とから構成されている。従来のＶＥＣＳＥＬの場合、別途に製造されたポンプレーザがＶＥＣＳＥＬの外部に配置され、前記ＶＥＣＳＥＬの活性層に約４５゜の角度で光ポンピング用レーザビームを提供していた。しかし、本発明の場合、図２に示されているように、外部ミラー１２４を含む面発光レーザ部１２０上にポンプレーザ部１１０を一体的に形成している。従って、本発明に係るＶＥＣＳＥＬは、単一工程を介してポンプレーザと共に一体的に製作されることができる。
【００１９】
さらに具体的には、面発光レーザ部１２０は、基板１２３上に順次に形成された第１活性層１２２と反射層１２１とを具備している。そして、基板１２３の下側に、第１活性層１２２から離隔されて外部ミラー１２４が配置されている。基板１２３は、例えば、ｎ−ＧａＡｓのようなｎ−ドーピングされた半導体基板を使用することができる。第１活性層１２２は、ポンプレーザ部１１０から提供されたレーザビームにより励起され、所定の波長を有する光を放出する。例えば、第１活性層１２２は、複数の量子ウェルと障壁とが反復的に積層して形成される多重量子ウェル構造である。
【００２０】
反射層１２１は、第１活性層１２２から放出された光を外部ミラー１２４に反射する役割を果たす。従って、第１活性層１２２から放出された光に対する共振器は、反射層１２１と外部ミラー１２４との間に形成される。反射層１２１は、例えば、複数の高屈折率層と低屈折率層とが交互に複層構造に構成されるＤＢＲであることができる。一般的に、高屈折率層としては、例えば、ＧａＡｓのような化合物半導体を使用し、低屈折率層としては、ＡｌＡｓのような化合物半導体を使用することができる。また、反射層１２１として、ＤＢＲの代わりに、ＳｉＯ２のような誘電体を使用することもできる。
【００２１】
また、面発光レーザ部１２０は、第１活性層１２２で発生した光の周波数を２倍にするＳＨＧ結晶１２５を、第１活性層１２２と外部ミラー１２４との間にさらに備えることができる。
【００２２】
一方、ポンプレーザ部１１０は、反射層１２１上に形成されたｎ−コンタクト１１５、ｎ−コンタクト１１５上に形成されたｎ−クラッド層１１４、ｎ−クラッド層１１４上に形成された第２活性層１１３、第２活性層１１３上に形成されたｐ−クラッド層１１２、及びｐ−クラッド層１１２上に形成されたｐ−コンタクト１１１を備える。ここで、ｎ−コンタクト１１５とｐ−コンタクト１１１とは、第２活性層１１３を励起させる電流を印加するためのものである。そして、第２活性層１１３は、第１活性層１２２を励起させる光ポンピング用の光を放出させるためのものである。
【００２３】
従って、第２活性層１１３から放出される光の波長は、第１活性層１２２から放出される光の波長より短くなければならない。また、ｎ−クラッド層１１４とｐ−クラッド層１１２とは、それぞれ第２活性層１１３に電子と正孔とを供給する。
【００２４】
本実施形態によれば、図２に示されているように、ｎ−クラッド層１１４、第２活性層１１３、及びｐ−クラッド層１１２の少なくとも一側のエッジには、第２活性層１１３で発生した光を反射させるための高反射ミラー１１６が垂直に形成されている。高反射ミラー１１６は、第２活性層１１３で発生した光に対して最も高い反射率を有するように設計され、例えば、ＳｉＯ２のような誘電体ミラーを使用できる。また、少なくとも、ｎ−クラッド層１１４、第２活性層１１３、及びｐ−クラッド層１１２の他側のエッジには、傾斜ミラー１１７が傾斜するように形成されている。このように形成された傾斜ミラー１１７は、第２活性層１１３で発生した光を反射層１２１に反射する役割を果たす。傾斜ミラー１１７の傾斜角が２０゜以上である場合、傾斜ミラー１１７に入射する光が全反射されるために、傾斜ミラー１１７の傾斜角は２０゜以上であることが適当である。最適には、傾斜ミラー１１７の傾斜角が４５゜であることが好ましい。ここで、傾斜ミラー１１７は、高反射ミラー１１６と同じ材質で形成することができる。
【００２５】
以上のような構造において、第２活性層１１３で発生した光は、高反射ミラー１１６と傾斜ミラー１１７との間においては、第２活性層１１３と平行な方向に進むことになる。従って、ポンプレーザ部１１０は、基本的に側面発光型レーザのような構造を有する。一方、傾斜ミラー１１７により第２活性層１１３に対して直交するように光が放出されるため、面発光型レーザと見ることもできる。
【００２６】
以下、前記のような構造を有する本発明に係るＶＥＣＳＥＬ１００の動作について詳細に説明する。
【００２７】
まず、ポンプレーザ部１１０を構成するｎ−コンタクト１１５とｐ−コンタクト１１１とを介して電圧を印加すれば、ｎ−クラッド層１１４とｐ−クラッド層１１２とから第２活性層１１３にそれぞれ電子と正孔とが供給される。これにより、前記電子と前記正孔とが第２活性層１１３で再結合されると共に、光が発生する。第２活性層１１３で発生した光は、傾斜ミラー１１７を経由して高反射ミラー１１６と反射層１２１との間で共振する。その結果、第２活性層１１３で増幅された光の一部は、反射層１２１を通過して第１活性層１２２に提供される。残り一部は、反射層１２１により反射されて傾斜ミラー１１７を介して高反射ミラー１１６に向かう。従って、第２活性層１１３で発生した光のための共振器は、高反射ミラー１１６と反射層１２１との間に形成され、傾斜ミラー１１７により実質的に直角に折り曲げられている。このために、反射層１２１は、第１活性層１２２で発生した光に対してだけではなく、第２活性層１１３で発生した光に対しても、最も高い反射率を有する多重帯域反射器である必要がある。前記多重帯域反射器は、すでに公知のように、ＤＢＲの構造により設けられるか、またはＳｉＯ２のような誘電体を使用して設けることができる。
【００２８】
反射層１２１を通過した光は、光ポンピング用の光として第１活性層１２２に入射する。これにより、第１活性層１２２が励起されると共に、所定の波長を有する光を放出する。第１活性層１２２で発生した光は、反射層１２１と外部ミラー１２４との間を反復すると共に、第１活性層１２２により増幅される。この結果、増幅された一部の光が外部ミラー１２４を介してレーザビームとして出力される。このとき、第１活性層１２２と外部ミラー１２４との間にＳＨＧ結晶１２５を配置すれば、さらに短い波長の光がレーザビームとして放出される。例えば、活性層として窒化物半導体素子を利用するＶＥＣＳＥＬの場合、主に、９００ｎｍないし１３００ｎｍの赤外線領域の光が発生するが、ＳＨＧ結晶１２５を使用することにより、４５０ｎｍないし６５０ｎｍの青色領域から赤色領域に至る可視光を放出させることができる。
【００２９】
一方、本発明の場合、第１活性層１２２と外部ミラー１２４との間に基板１２３が存在する。従って、基板１２３による光出力の減少を防止するために、図２に示されているように、第１活性層１２２で発生した光が進む光路と対応する基板１２３の一部分を切開することもできる。しかし、他の実施の形態によっては、本実施の形態とは異なる構成も可能である。例えば、本実施の形態の場合、基板１２３上に第１活性層１２２、反射層１２１、ｎ−コンタクト１１５、ｎ−クラッド層１１４、第２活性層１１３、ｐ−クラッド層１１２、及びｐ−コンタクト１１１を順次に積層した構造を例示的に図示したが、基板上にｐ−コンタクトから第１活性層まで本実施の形態の積層の反対の順序で、順次に積層することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明のポンプレーザが一体的に結合されたＶＥＣＳＥＬは、レーザ関連の技術分野に適用することができ、特に、高出力面発光レーザの技術分野に効果的に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬの構造を示す断面図である。
【図２】本発明によるポンプレーザが一体に結合されたＶＥＣＳＥＬの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０，１００    ＶＥＣＳＥＬ、
１１    ヒートシンク、
１２    ＤＢＲ層、
１３    活性層、
１４    外部ミラー、
１５，１２５    ＳＨＧ結晶、
１６    ポンプレーザ、
１７    レンズアレイ、
１１０    ポンプレーザ部、
１１１    ｐ−コンタクト、
１１２    ｐ−クラッド層、
１１３    第２活性層、
１１４    ｎ−クラッド層、
１１５    ｎ−コンタクト、
１１６    高反射ミラー、
１１７    傾斜ミラー、
１２０    面発光レーザ部、
１２１    反射層、
１２２    第１活性層、
１２３    基板、
１２４    外部ミラー。
【図１】
2006313889.tif 000003
【図２】
2006313889.tif 000004