(57)【要約】本発明は、中央導波路（３）と、この中央導波路（３）内に配置されており、少なくとも１つの量子層（５）が設けられている量子井戸構造とを有する垂直放射部（１）と、量子井戸構造を光学的にポンピングし、ポンプビーム（１１）が案内される少なくとも１つのポンプ導波路（９）を含むポンプビーム源とを備えた、光学的にポンピングされる半導体レーザ装置に関する。中央導波路（３）の幅（Ａ）はポンプ導波路（９）の幅（Ｂ）よりも大きい。中央導波路（３）の幅（Ａ）とポンプ導波路（９）の幅（Ｂ）は、垂直放射部（１）の量子井戸構造が一様にポンピングされるように相互に適合されている。
2005524981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央導波路（３）と、該中央導波路（３）内に配置されており、少なくとも１つの量子層（５）が設けられている量子井戸構造とを有する垂直放射部（１）と、
前記量子井戸構造を光学的にポンピングし、ポンプビーム（１１）が案内される少なくとも１つのポンプ導波路（９）を含むポンプビーム源とを備えた、光学的にポンピングされる半導体レーザ装置において、
前記中央導波路（３）の幅（Ａ）は、前記ポンプ導波路（９）の幅（Ｂ）よりも大きく、該中央導波路（３）の幅（Ａ）と該ポンプ導波路（９）の幅（Ｂ）は、前記垂直放射部（１）の前記量子井戸構造が一様にポンピングされるように相互に適合されていることを特徴とする、半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記ポンプ導波路（９）は中心軸（１０）を有し、前記量子層（５）は該ポンプ導波路（９）の中心軸（１０）から所定の間隔（Ｅ）をおいて配置されている、請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記中央導波路（３）は中心軸（１２）を有し、該中心軸（１２）は前記ポンプ導波路（９）の中心軸（１０）に対して平行であるか、前記ポンプ導波路（９）の中心軸（１０）と一致する、請求項１または２記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記量子層（５）は前記ポンプ導波路（９）の中心軸（１０）から間隔をおき、該間隔は前記垂直放射部（１）への入射時の前記ポンプビーム（１１）のビーム半径よりも大きい、請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記ポンプビーム（１１）は前記中央導波路（３）の内部で膨張し、前記垂直放射部（１）への該ポンプビーム（１１）の入射から所定の間隔をおいて前記量子層（５）とオーバラップする、請求項４記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記垂直放射部（１）はミラー（６）を含み、該ミラー（６）は前記量子井戸構造について垂直方向において下流側に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記量子井戸構造は垂直方向において前記ミラー（６）と出力結合層（７）との間に配置されている、請求項６記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記垂直放射部（１）には外部ミラーが配属されており、該外部ミラーは前記垂直放射部（１）のミラー（６）と共に、前記量子井戸構造から放射されるビーム（８）に対する共振器を形成する、請求項６または７記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記共振器内に有利には周波数重複のための非線形の光学素子が配置されている、請求項８記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記共振器内にモード結合のための素子、例えば可飽和半導体吸収器が配置されている、請求項８または９記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記量子井戸構造から放射されるビーム（８）に対する前記共振器のミラー、例えば外部ミラーはチャープミラーである、請求項８から１０までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項１２】
前記垂直放射部（１）は出力結合ミラーを含み、該出力結合ミラーを通過して前記量子井戸構造から放射されるビーム（８）が出力結合される、請求項６から１１までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項１３】
前記１つのミラー（６）ないし複数のミラーはブラッグミラーとして構成されている、請求項６から１２までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項１４】
前記ポンプビーム源は少なくとも１つのポンプレーザ（２）を含む、請求項１から１３までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項１５】
前記ポンプビーム源はそれぞれ１つのポンプ導波路（９）を備えた２つのポンプレーザ（２）を含み、該ポンプレーザ（２）のポンプビーム（１１）は対向する方向で前記量子井戸構造に入力結合される、請求項１４記載の半導体レーザ装置。
【請求項１６】
前記ポンプビーム源は複数のポンプレーザ（２）を含み、該ポンプレーザ（２）は前記垂直放射部の周囲に十字形または放射状に配置されている、請求項１４または１５記載の半導体レーザ装置。
【請求項１７】
前記ポンプビーム源は、対になって相互に直交して配置されている４つのポンプレーザ（２）を含む、請求項１６記載の半導体レーザ装置。
【請求項１８】
前記ポンプレーザ（２）はポンプレーザ共振器を有し、前記垂直放射部（１）は少なくとも部分的に該ポンプレーザ共振器内に配置されている、請求項１４から１７までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項１９】
前記ポンプレーザはリングレーザとして構成されている、請求項１４から１８までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項２０】
前記ポンプレーザは少なくとも部分的に台形状の横方向の断面図または台形が２つになっている横方向の断面図を備えたポンプレーザ共振器を有する、請求項１４から１９までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項２１】
前記ポンプビーム源および前記垂直放射部（１）はモノリシックに集積されて構成されている、請求項１から２０までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項２２】
半導体レーザ装置は面発光型レーザである、請求項１から２１までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項２３】
半導体レーザ装置は、例えばピコ秒またはフェムト秒領域のパルス持続時間を有するパルス動作のために構成されている、請求項１から２２までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【請求項２４】
動作時に前記垂直放射部（１）において前記量子井戸構造が定常波を形成するビームフィールドを生じさせ、前記量子層（５）は該量子層が定常波の波腹とオーバラップするよう配置されている、請求項１から２３までのいずれか１項記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念による光学的にポンピングされる半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
このようなレーザ装置は例えば刊行物ＷＯ  ０１／９３３８６及びＷＯ  ０２／０６７３９３から公知であり、これら刊行物の内容は参考にすることにより本願明細書に取り入れられる。これらの刊行物には横方向で光学的にポンピングされる量子井戸構造を有する、面発光型半導体レーザ装置が記載されている。この量子井戸構造のためのポンプビーム源として例えばエッジ放出型の半導体レーザが使用される。ポンプビームはポンプビーム源の内部で導波路において案内される。ポンプビーム源および量子井戸構造はそれぞれ半導体層列でもって形成されており、ここで半導体層列は共通の基板上にエピタキシャルに成長されている。このことは量子井戸構造とポンプビーム源の廉価でモノリシックな集積を可能にする。
【０００３】
原理的には、光学的にポンピングされる体積が増大されることによって光学的な出力の増加を達成することができる。このために、光学的にポンピングされる構造の横方向の直径を拡大することが望ましく、この際有利には基本モード動作が可能である、ないし保持され続けるべきである。
【０００４】
しかしながら、横方向の直径を単に拡大するだけでは、以下図８に基づき説明する問題が生じる。
【０００５】
図８は、複数の量子層２１が設けられているビーム形成構造を有する垂直放射部２０を備えた、光学的にポンピングされる半導体レーザ装置を示す。垂直方向のレーザ共振器を形成するためにビーム形成構造に対して、片側または両側にミラー２５を配置することができる。ポンプビームを形成するための２つのポンプレーザ２２が横方向に隣接して配置されている。これらのポンプレーザ２２はポンプビームが案内される導波路２３をそれぞれ有する。
【０００６】
この種の公知の装置では、ポンプビームのビーム形成構造への効率的な入力結合を達成するために、これらの導波路が量子層２１と同じ高さに配置されている。殊に量子層２１は中心でポンプ導波路２３の位置に合わせられており、またその中心軸２６の可能な限り近傍に形成されており、その結果ポンプフィールド２４の空間的なマキシマムが垂直放射部の量子層と正確にオーバラップする。これは非常に精確な製造を要求する。
【０００７】
したがって垂直放射部の横方向の直径を拡大する場合には、そのことによってのみまたはポンプ出力が比較的高いことに関連して、光学的な出力は非常に制限的にしか増加されないことが明らかになる。このことは、ポンプビームが正確に量子層へと配向されている場合、量子層はポンプビームを大きく吸収することに起因する。したがってポンプビームは特にポンプレーザと垂直放射部との境界面の近くで吸収されるので、横方向の侵入度は短くなる。この横方向の侵入度を超えると垂直放射部はもはやポンピングされない。したがって典型的には３０μｍよりも狭い比較的小さい領域での垂直放射部の縁部においてのみレーザ動作が達成される。
【０００８】
横方向の直径の拡大ないしポンプ出力の増加は侵入度を変化させないので、その結果光学的な出力は僅かにしか増加しない。殊に、ポンピングされる活性領域の拡大に基づく出力の増加は達成されない。
【０００９】
それに加え、ポンプレーザと垂直放射部との境界面の近傍での量子層のポンピングは付加的な損失に結びつく。何故ならば、ポンピング過程において生じるキャリアは境界面までの約１０μｍの拡散長内で拡散し、またそこにおいて境界面の欠陥に基づき放射されずに再結合される可能性があるからである。この理由からも、量子層をこの境界面から可能な限り大きな間隔をおいてポンピングするように垂直放射部の横方向の直径を拡大することが望ましい。しかしながら横方向の直径を単に増大するだけでは、比較的小さい侵入度内での縁部近傍での吸収は変化しないのでやはり十分ではない。
【００１０】
本発明の課題は、高出力の光学的にポンピングされる半導体レーザ装置を提供することである。殊に本発明は光学的にポンピングされる領域の横方向の拡大を実現すべきものである。
【００１１】
この課題は請求項１記載の光学的にポンピングされる半導体装置でもって解決される。本発明に有利な実施形態は従属請求項の対象である。
【００１２】
本発明によれば、中央導波路および中央導波路内に少なくとも１つの量子層を備えた量子井戸構造を有する垂直放射部と、量子井戸構造を横方向において光学的にポンピングし、ポンプビームが案内される少なくとも１つのポンプ導波路を含むポンプビーム源とを備えた光学的にポンピングされる半導体レーザ装置が設けられており、垂直放射部の中央導波路の幅はポンプ導波路の幅よりも広く、この幅は垂直放射部の量子井戸構造が一様にポンピングされるように相互に適合されている。
【００１３】
ここで垂直放射部に関して「中央導波路」という名称は、必ず中央に配置されているという意味での場所的な指定ではなく、単にポンプ導波路と区別するためのものと解するべきである。
【００１４】
ポンプ導波路ないし中央導波路の幅はそれぞれ伝播方向に垂直に測定されている。
【００１５】
一様なポンプとは本発明の枠内では、殊に垂直放射部の中心において最少励起が生じない、または少なくとも垂直放射部の中心においてもビーム形成が行われる量子井戸構造の励起と解される。ここで有利には、垂直放射部の中心において励起のマキシマムを有する励起は有利には、例えば垂直放射部の基本モード動作がＴＥＭ００モードにおいて可能であるような励起である。２０μｍよりも大きいまたは２０μｍである垂直放射部の直径を用いる広面積の励起は殊に有利である。さらには本発明の枠内では少なくとも近似的にガウス状、超ガウス（hypergauss）状または矩形状の励起プロファイルの形成は一様なポンプに相当し、この際やはり広面積の励起プロフィールが有利である。
【００１６】
本発明の有利な実施形態においては、量子層はポンプビームの伝播方向に延在しているポンプ導波路の中心軸とは間隔をおいて配置されている。このことは図８に示した装置とは異なり、ポンプビームが垂直放射部の量子層に対してずらされて中央導波路に入力結合されるように作用する。この際、ポンプ導波路の中心軸までの量子層の間隔が、垂直放射部への入射の際にポンプビームフィールドのビーム放射半径よりも大きいように垂直放射部の量子層を配置することは有利である。このことは例えば、ポンプ導波路の幅の半分の幅が、ポンプ導波路の中心軸からの垂直放射部の量子層の間隔よりも小さいポンプ導波路によって実現することができる。
【００１７】
驚くべきことに本発明の枠内においては、垂直放射部の横方向の直径が大きい場合、垂直放射部の中心におけるポンプビームと量子層の比較的大きいオーバラップ、したがって比較的広面積で効率的な高出力の動作が達成されることが判明した。このことは、ポンプ導波路について量子井戸構造を中心に配置することは効果的な入力結合にとって最適であるとされる従来のアプローチとは異なるものである。つまりこのアプローチでは横方向の直径が小さい場合にしか有効でない。
【００１８】
ここで前述の間隔とは量子層と中心軸の所定かつ明確な間隔であるということを述べておく。確かに図８に示された装置においても、量子層と相応の中心軸との間に間隔を生じさせることはできるが、この間隔は例えば、量子層が複数存在する場合、全ての量子層は中心軸と必ずしも一致できない、またはそのような間隔は製造許容差内にあることによって制限される可能性がある。しかしながらこのような間隔は本発明とは異なり、所定かつ明確な間隔ではない。
【００１９】
さらにこの関係において、ポンプ導波路の幅および中央導波路の幅を、ポンプビームが垂直放射部への入射後に膨張するように適合することは有利である。したがって、ポンプビームは垂直放射部への入射から所定の間隔をおいて量子層とオーバラップすることが達成される。ポンプビーム源と垂直放射部との境界面の近傍における量子層の励起、またこれに付随する非放射性の再結合による損失を著しく低減することができる。
【００２０】
本発明の枠内では、ポンプ導波路と中央導波路を対称的または非対称的に相互に配置することができる。非対称的な配置構成の場合には、ポンプ導波路の中心軸と中央導波路の中心軸は一致しないが、有利には相互に平行に配置されている。非対称的な配置構成は垂直放射部ないし半導体レーザ装置のエピタキシャルな製造に関して有利に成りうる。
【００２１】
本発明は、例えば０．１Ｗよりも大きいまたは０．１Ｗ、有利には１．０Ｗよりも大きいまたは１．０Ｗ、またはそれどころか１０Ｗよりも大きいまたは１０Ｗである、光学的な出力が大きい半導体レーザ装置に殊に適している。このためにポンプビーム源は有利にはポンプレーザとして実施されている。高出力のために必要とされるポンプ出力を生じさせるために、ポンプビーム源は有利には複数のポンプレーザを含む。これらのポンプレーザを、２つのポンプレーザがそれぞれ対向する側から垂直放射部へと放射するように配置することができる。さらには、垂直放射部の周囲にポンプレーザを十字形または放射状に配置することは好適である。
【００２２】
本発明のさらなる特徴、利点および有効性は図１から７に関連させた６つの実施例についての以下の説明から明らかになる。
【００２３】
ここで、
図１は、本発明による半導体レーザ装置の第１の実施例の概略的な断面図を示し、
図２は、ポンプビームの伝播方向に沿った中央導波路におけるポンプビームのビーム膨張のグラフィック表示であり、
図３は、ポンプビームの伝播方向に沿ったポンプビームと量子層のオーバラップのグラフィック表示であり、
図４Ａおよび４Ｂは、本発明による半導体レーザ装置の第２の実施例の概略的な断面図および対応する俯瞰図を示し、
図５は、本発明による半導体レーザ装置の第２の実施例における３次元の吸収プロフィールのグラフィック表示であり、
図６は、本発明による半導体レーザ装置の第３の実施例の概略的な断面図を示し、
図７Ａ、７Ｂ、７Ｃは本発明による半導体レーザ装置の第４、第５および第６の実施例の概略的な俯瞰図をそれぞれ示し、
図８は、従来のポンプ装置を備えた相応の半導体レーザ装置の概略的な断面図である。
【００２４】
同一素子または同様に作用する素子には図中同一の参照符号を付している。
【００２５】
図１に示した半導体レーザ装置は垂直放射部１と２つのポンプレーザ２であるポンプビーム源とを有する。
【００２６】
垂直放射部１は中央導波路３と、中央導波路３内に配置されており、複数の量子層５を備えるビーム形成量子井戸構造とを有する。垂直方向において、中央導波路の下流側にミラー６が配置されている。有利にはこのミラーは屈折率の異なる層が交互に複数配置されているブラッグミラーとして実施されている。ミラーに対向する上流側では中央導波路３に出力結合層７が被着されており、この出力結合層７を通って垂直放射部によって形成されたビーム８が出力結合される。
【００２７】
ミラー６は外部ミラー（図示せず）を用いて、垂直放射部に対する外部レーザ共振器を形成する。このような装置はＶＥＣＳＥＬ（垂直外部キャビティ面発光型レーザ：Vertical External Cavity Surface Emitting Laser）とも称される。択一的にＶＣＳＥＬ（垂直キャビティ面発光型レーザ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）のような内部共振器を形成するために、出力結合層７と中央導波路３との間に部分透過性のミラー、有利にはブラッグミラーを配置することができる。
【００２８】
さらに外部共振器には周波数変換のための非線形の光学素子、例えば非線形のクリスタルを配置することができる。この実施形態は周波数変換、殊に量子井戸構造によって形成されたビーム８の周波数重複のような周波数多重化にとって有利である。同様に本発明のこの実施形態は、例えば和周波数形成、差周波数形成、分数周波の形成、ラマン散乱または４波混合のような他の非線形の変換に使用することができ、この際選択的に垂直放射部によって生成されるビームフィールドは、例えば非線形の光学素子において外部形成された別のビームフィールドと重畳する。
【００２９】
本発明の別の実施形態では、外部レーザ共振器においてモード結合、有利には例えばＫＬＭ（Kerr Lens Modelocking）のような受動的なモード結合のための素子が設けられている。このために、例えば可飽和半導体吸収器（例えばＳＥＳＡＭ、Semiconductor Saturable Absorber Mirror）が適している。モード結合によって垂直放射部でもって形成されるレーザのパルス動作が実現される。これによってピコ秒またはそれどころかフェムト秒領域までのパルス持続時間を達成できる。
【００３０】
フェムト秒領域での動作には通常、外部共振器における群速度分散を補償することが必要となる。何故ならば補償されない場合群速度分散によって形成されたパルスが時間的に広まることになるからである。群速度分散の補償は例えばプリズム、格子または光ファイバを用いて可能であり、例えば公知のｆｓチタン・サファイア・レーザにおいて使用される。
【００３１】
有利には本発明における群速度分散はいわゆる「チャープミラー」を用いて補償される。このミラーは複数の材料層を有し、これらの材料層は全体的に群速度分散が補償されるように外部共振器の群速度比に適合されている。本発明においては上述の外部ミラーまたは付加的なミラーを、例えば外部共振器が折り畳まれている場合のようにチャープミラーとして実施することができる。
【００３２】
横方向に配置されている２つのポンプレーザ２はそれぞれ活性層ならびに中心軸１０を備えたポンプ導波路９を有し、このポンプ導波路９においてポンプビーム１１が案内される。図１に示されているようにポンプビーム１１は近似的にガウス状のプロフィールを有する。さらには、ポンプ導波路を中央導波路に関して垂直方向において適切な高さで位置決めするためにバッファ層４を設けることができる。
【００３３】
量子層５は中心軸１０と所定の間隔をおいて配置されており、この際中心軸１０の最も近くにある１つないし複数の量子層５は中心軸と間隔Ｅを有する。
【００３４】
有利にはポンプレーザと垂直放射部はモノリシックに集積されている。すなわち共通の基板１３上にエピタキシャルに成長されている。製造後はこの基板１３を薄くすることができる、もしくは完全に除去することもできる。このことは例えばヒートシンクにおける放熱を改善するために好適である。
【００３５】
本発明の別の択一形態においては、ミラー６が中央導波路の上流側に被着されている。この場合ビームの出力結合はミラーと対向する側において基板を介して行われる。この場合にも基板を薄くすることができるか、除去することができる。
【００３６】
動作時には、ポンプレーザ２によって形成されたポンプビームが横方向で量子井戸構造に入力結合されて、量子層５に吸収され、ビーム８の放出を励起する（光学的なポンピング）。レーザとして垂直放射部を構成する場合には、量子井戸構造は光学的にポンピングされる活性媒質として使用され、この媒質において誘導放出によってレーザビームが生成ないし増幅される。
【００３７】
中央導波路３の幅Ａは本発明においてはポンプ導波路の幅Ｂよりも広く、垂直放射部の量子井戸構造は安定して、有利には一様にポンピングされるようにポンプ導波路Ｂに適合されている。詳細にはこのことは図１に示している実施例では、ポンプビームのビーム膨張、ならびにポンプ導波路９の中心軸１０と間隔をおく量子層５の配置によって達成される。
【００３８】
ビーム膨張はポンプ導波路９から著しく幅の広い中央導波路への移行後のポンプビームフィールド１１の回折に起因する。この際中央導波路におけるモード数は、近似的に中央導波路におけるポンプビームの自由伝播を想定できるように大きいものである。ポンプビームの経過はガウス光学の枠内において求めることができる。ガウス光学ならびに付属の特徴的なパラメータの定義はA. Yariv, Quantum Electronics, 3rd ed., 1988, John Wiley & Sonsに記載されている。
【００３９】
図２には例示的にポンプビームのビーム膨張が、垂直放射部への入射時のポンプビームの種々のビーム半径方向について示されている。横方向の伝播方向Ｘに沿ったガウス状のビームのビーム半径ｗが垂直放射部への入射時の種々のビーム半径（０．３μｍ；０．５μｍ；０．７μｍ；１．０μｍ；２．０μｍ）に関してプロットされている。入射時のビーム半径はポンプ導波路によって決定され、ポンプ導波路の幅Ｂの半分の幅に相応する。図示されている経過は９４０ｎｍのポンプ波長に対して算出されたものである。
【００４０】
図２にはさらに、ポンプ導波路の中心軸まで例えば４μｍの間隔を有する量子層５の位置がプロットされている。量子層とポンプビームフィールドのオーバラップは、ポンプ導波路の幅が広くなればなるほど、ポンプビームフィールドの入射、したがって場合によっては非放出の損失につながる境界からますます距離をおく。何故ならば、幅が増すと共に回折したがってビーム膨張は低減するからである。
【００４１】
量子井戸構造の一様なポンピングをさらに、ポンプ導波路の中心軸からの量子層の間隔Ｅを最適にすることによって達成することができる。このことは例示的に図３に示されている。
【００４２】
図３には垂直放射部における横方向の伝播方向Ｘに沿ったポンプフィールドと量子層の間の算出されたオーバラップＱ（任意の単位）が、ポンプ導波路の中心軸との量子層の種々の間隔Ｅに関して対数的にプロットされている。これらの間隔Ｅに関して値１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍおよび７μｍが選択されている。付加的に中心軸の箇所における、すなわち間隔が０μｍの量子層に関するオーバラップもプロットされている。
【００４３】
図２と関連させて上述した、基礎となる半導体レーザ構造のパラメータは変更されずに使用されている。ポンプ導波路の幅は、垂直放射部への入射時における０．７μｍのビーム半径に応じて１．４μｍである。
【００４４】
オーバラップＱの経過は実質的に横方向の吸収プロフィールに相応する。図３に示されているように、量子層の中心軸からの１μｍよりも小さいまたは１μｍである間隔について後続の近似的で指数的な降下を有する垂直放射部へのポンプビーム入射時の吸収のマキシマムが生じる。このことは、例えば図８に示されているような従来のポンプ装置に相応する。垂直放射部の横方向の拡大はここでは光学的な出力を僅かにしか増加させない。何故ならば、ポンプビームは実質的に垂直放射部の縁部において吸収され、したがってその縁部では典型的には２０μｍよりも狭い領域における小面積のビーム形成ないし小面積のレーザ動作しか達成されないからである。
【００４５】
量子層の中心軸からの間隔が比較的大きい場合には、吸収のマキシマムは垂直放射部の中央へとずれる。この際間隔が大きくなるにつれ、吸収のマキシマムは常に弱くなるよう表されており、その結果よりいっそう垂直放射部の中央に位置する吸収プロフィール、したがってますます一様な量子層の励起が生じる。この場合殊に垂直放射部の縁部における励起が回避されるので、垂直放射部の縁部における非放射性の再結合に基づく損失は有利には低減される。
【００４６】
総じて、図２および３からは別の計算と関連して、図１に示した実施例および９４０ｎｍのポンプ波長について、ポンプ導波路の中心軸からの４μｍまたはそれ以上である量子層との間隔Ｅと関連して、ポンプ導波路の幅Ｂは１μｍよりも大きいまたは１μｍであることが有利であることが明らかになる。例えば量子井戸構造の一様かつ広範な励起を達成することができる。
【００４７】
中央導波路の幅Ａは有利には５μｍから３０μｍの範囲にある。上述したポンプ導波路の中心軸からの量子層の間隔に関しては、１０μｍから３０μｍの範囲が有利である。
【００４８】
本発明は殊に、１０μｍから１０００μｍ、有利には１００μｍよりも大きいか１００μｍである横方向の大きい直径Ｃを有する垂直放射部に適してる。図１に示した実施例ではこの直径Ｃは２００μｍから３００μｍであり、ビーム直径Ｄは１００μｍから２００μｍである。キャリアの拡散長は約１０μｍなので、２０μｍよりも大きいまたは２０μｍの直径は境界面近傍での非放射性の再結合を回避するために有利である。非放射性の再結合はこの拡散長よりも長い間隔を垂直放射部の縁部からとった励起によって決定的に低減される。
【００４９】
例えば図１に示した実施例における垂直放射部は４つの量子層を有する。ここでは前述の間隔は中心軸１０に最も近い量子層に関するものである。勿論本発明の枠内においてはこれとは異なる数の量子層を選択することができる。
【００５０】
図４Ａには本発明による半導体レーザ装置の第２の実施例の断面図が示されており、図４Ｂは対応する俯瞰図を示す。図４Ａについての断面は図４Ｂにおける線Ａ−Ａに沿ったものである。
【００５１】
図１に示した実施例のように、半導体レーザ構造は中央導波路３を有する垂直放射部１と、中央導波路に垂直に下流側に配置されているミラー６と、上流側の出力結合層７とを含む。横方向にはポンプビーム源が隣接して配置されている。
【００５２】
図４に示されている実施例ではポンプビーム源は４つのポンプレーザ２を含み、これらのポンプレーザは垂直放射部１の周囲に配置されている。ポンプレーザ２は対になって直交して相互に位置決めされており、２つのポンプレーザ２が対向する２つの側からそれぞれ垂直放射部１に放射する。この対称的な配置構成は量子井戸構造の一様な励起にとって有利である。
【００５３】
択一的に、その他のあらゆる個数のポンプレーザを設けることもでき、この際複数のポンプレーザは有利には放射状に垂直放射部の周囲に配置されている。
【００５４】
ポンプレーザ２は図１に示した実施例のように、中心軸１０を備えたポンプ導波路９をそれぞれ有する。放射状で対照的な配置により、対向するそれぞれのポンプ導波路９の中心軸１０は一致し、また他の２つのポンプ導波路の中心軸に対して垂直である。
【００５５】
中央導波路３内には４つの量子層５が形成されている。図１に示した実施例とは異なり、これらの量子層は中心軸と垂直に間隔をおいて配置されており、この間隔はポンプ導波路の幅Ｂの半分の幅よりも大きい。このことは、ポンプビームフィールドが垂直放射部への入射時には量子層とオーバラップしないことを意味している（ここでは空間的にガウス状のポンプフィールドの理論的には制限されないエッジに起因する僅かなオーバラップは除く）。
【００５６】
ポンプビームフィールド１１と量子層５との間のオーバラップはポンプビームフィールドの垂直放射部１への入射から所定の間隔をおいて初めて生じる。この間隔はポンプ導波路９の中心軸１０からの量子層５の間隔Ｅと関連したポンプビームフィールドのビーム膨張によって決定される。
【００５７】
２００μｍから３００μｍの横方向の大きな直径Ｃおよび１００μｍから２００μｍのビーム直径Ｄを有する垂直放射部１の一様な励起に関しては、２μｍから１４μｍの幅の中央導波路３と関連して０．２μｍから２μｍの幅のポンプ導波路が適している。ポンプ波長は９４０ｎｍでよく、また垂直放射部の放射波長は１０００ｎｍでよい。
【００５８】
有利には量子層はポンプ導波路９の中心軸１０から１μから６μｍの間隔をおいて配置されている。約１０μｍよりも広い幅の中央導波路と関連して５μｍの間隔が殊に有利であると判明した。量子層は中央導波路の縁の近傍において、殊に動作時に垂直放射部において形成される定常波のビームフィールドのマキシマム、有利には中央導波路の縁に最も近くに位置するマキシマムに配置されている。
【００５９】
一般的に本発明の枠内では、１つの量子層ないし複数の量子層をマキシマム、すなわち垂直放射部の量子井戸構造によって生成されるビームフィールドから生じる定常波の波腹とオーバラップするように量子層を配置することが好適である。
【００６０】
図５には、図４による半導体レーザ装置に関して算出された吸収プロフィールおよび上述のパラメータが示されている。ポンプフィールドの吸収が任意の単位で横方向の位置、すなわち図４Ｂに表されている座標系の座標ＸおよびＹに依存してプロットされている。半導体レーザ装置の中心ないし対称点において吸収のマキシマムを有する垂直放射部の活性面全体にわたり有利には弱く変化する吸収が生じる。吸収プロフィールは近似的に超ガウスプロフィールに相応する。
【００６１】
図６には図４Ａに示した実施例に類似する半導体レーザ装置の実施例が示されている。
【００６２】
中央導波路３がポンプ導波路に対して非対称に位置決めされているということが前述の実施例とは相違する。すなわち中央導波路に配属されている中心軸１２が垂直方向にポンプ導波路の中心軸１０とは間隔をおいて配置されている。
【００６３】
さらには、中央導波路３の中心軸について一方の側にのみ量子層５が形成されている。図示した実施例において量子層５は中心軸１２とミラー６との間に配置されている。
【００６４】
択一的に、量子層５は中心軸１２について反対の側、すなわち中心軸１２と出力結合層との間に設けることもできる。これら２つの実施形態は、量子層が図４に示した実施例と同様にポンプ導波路の中心軸１０と間隔をおき、同時に比較的短い幅Ａを有する中央導波路３を実施することができるという利点を有する。これによってエピタキシャルな製造が容易になる。何故ならば、一般的に層厚が増すとともに、殊に導波路の幅が広がるとともに成長時間は延長され、それに加え欠陥の無い層の製造が困難になるからである。
【００６５】
中央導波路の幅は有利には２μｍから７μｍであり、ポンプ導波路の中心軸からの量子層の間隔は１μｍから６μｍである。その他のパラメータは図４に示した実施例と同様に選択されている。
【００６６】
図７Ａ、７Ｂおよび７Ｃには本発明の別の３つの実施例が示されている。これらの実施例は図４Ｂに示された実施例とはポンプビーム源の配置構成に関して異なるものである。
【００６７】
図７Ａに示した実施例ではそれぞれ対向するポンプビーム源の領域が共通して１つのポンプレーザ２を形成し、その結果これらのポンプレーザ２の共振器は交差し、ここで垂直放射部は交差領域に位置決められている。またポンプレーザの共振器は外側にあるミラーまたはファセット１４が境界をなす。
【００６８】
さらに本発明のこの実施形態では、垂直放射部１は少なくとも部分的にポンプレーザ２の共振器内に配置されている。有利にはポンプレーザに必要とされるミラーないしファセットの数が低減されて製造が簡略化される。ここで垂直放射部とポンプレーザ領域との境界面を、ポンプビームの可能な限り僅かな、有利には２％以下の反射が生じるように形成することは好適である。勿論、ただ１つのポンプレーザまたは２つ以上のポンプレーザを設けることもできる。
【００６９】
図７Ｂに示した本発明の実施形態では、垂直放射部は同様に少なくとも部分的にポンプレーザ共振器内に設けられている。ポンプレーザはリングレーザとして、すなわちリング共振器を備えたレーザとして形成されている。したがって有利には、共振器ミラーないし共振器ファセットは必要ない。このことは製造を容易にし、損傷したポンプレーザミラーに基づく故障を排除する。ポンプレーザのリング共振器は俯瞰的に見ると８の字形であるので、垂直放射部１は４つの側の交差領域においてポンピングされる。しかしながら本発明の枠内ではリング共振器の他のあらゆる形状も設けることができる。
【００７０】
図７Ｃに示した実施例は実質的に図４Ｂに示した実施例に相当し、ポンプレーザは俯瞰的にみると台形状に形成されている。これによって半導体レーザ装置の面全体のより良好な利用、したがって面積が等しい場合にはより高いポンプ出力が達成される。
【００７１】
図示されているように、図４Ｂに示した実施例に応じて十字形に配置された４つのポンプレーザを設けることができる。択一的に図７Ａに相応して対向する２つのポンプレーザ領域が共通のポンプレーザを形成することもでき、垂直放射部１はやはり少なくとも部分的に、１つのポンプレーザ共振器ないし複数のポンプレーザ共振器内に配置されている。すなわち、後者の変形形態においてポンプ共振器はそれぞれ、台形が２つになっている横方向での断面図を有する。
【００７２】
実施例に基づく本発明の説明は本発明をこれに制限するものではないと解するべきである。むしろ本発明は請求項に記載の特徴を有する全ての装置に関する。さらに本発明は、請求項または明細書に明示的に示されていなくとも、明細書に記載した特徴ならびにそれらの組み合わせ全てを包含する。
【００７３】
明細書中に挙げた範囲はそれぞれ範囲の限界を含むと解される。さらにこれらの範囲の規定それぞれはそれ自体既に本発明の有利な構成を表すものであり、これらは必ずしも他の全ての範囲規定と組み合わせなければならないものではない。中央導波路の幅および量子層の位置をそれぞれ、量子層が中央導波路の内部に配置されているように選択される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明による半導体レーザ装置の第１の実施例の概略的な断面図。
【図２】ポンプビームの伝播方向に沿った中央導波路におけるポンプビームのビーム膨張のグラフィック表示。
【図３】ポンプビームの伝播方向に沿ったポンプビームと量子層のオーバラップのグラフィック表示。
【図４Ａ】本発明による半導体レーザ装置の第２の実施例の概略的な断面図。
【図４Ｂ】本発明による半導体レーザ装置の第２の実施例の概略的な俯瞰図。
【図５】本発明による半導体レーザ装置の第２の実施例における３次元の吸収プロフィールのグラフィック表示。
【図６】本発明による半導体レーザ装置の第３の実施例の概略的な断面図。
【図７Ａ】本発明による半導体レーザ装置の第４の実施例の概略的な俯瞰図。
【図７Ｂ】本発明による半導体レーザ装置の第５の実施例の概略的な俯瞰図。
【図７Ｃ】本発明による半導体レーザ装置の第６の実施例の概略的な俯瞰図。
【図８】従来のポンプ装置を備えた半導体レーザ装置の概略的な断面図。
【図１】
2005524981.tif 000003
【図２】
2005524981.tif 000004
【図３】
2005524981.tif 000005
2005524981.tif 000006
【図５】
2005524981.tif 000007
【図６】
2005524981.tif 000008
2005524981.tif 000009
2005524981.tif 000010
【図８】
2005524981.tif 000011
【国際調査報告】
2005524981.tif 000012
2005524981.tif 000013
2005524981.tif 000014
2005524981.tif 000015
2005524981.tif 000016
2005524981.tif 000017