(57)【要約】  本発明は、ＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイに対する光学素子に関する。前記光学素子は、少なくとも光学放射線の波長領域において透明である基板２００で形成される。基板２００の第１の界面は、基板２００に一体化された光学レンズ又は光学レンズ２２０のアレイの一部を形成する１つ又は複数の湾曲領域を有する。基板２００は、前記第１の界面の反対側の基板２００の第２の界面に形成された又は基板２００に埋め込まれた１つ又は複数の光学鏡２１０を有する。光学鏡２１０は、前記第１の又は第２の界面に入射する光学放射線の一部を後方反射するように配置及び設計される。光学鏡２１０は、平面鏡又は湾曲領域２２０の曲率半径とは異なる曲率半径を持つ曲面鏡である。前記光学素子は、製造中の追加の調整の必要性なしで高輝度を持つＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイの製造を可能にする。前記ＶＥＣＳＥＬは、光学鏡２１０に対する距離Ｌに配置され、これは、外部キャビティの長さに等しい。前記光学レンズのＲＯＣは、ＲＯＣ＝Ｌ／２に選択されることがありえ、前記光学鏡に対してＲＯＣ＞Ｌである。前記キャビティ長さは、モノリシックスペーサ１２０により調整されうる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも光学放射線の波長領域において透明である基板で形成される光学素子において、
前記基板の第１の界面が、前記基板に一体化された光学レンズ又は光学レンズのアレイの一部を形成する１つ又は複数の湾曲領域を有し、
前記基板が、前記第１の界面の反対側の前記基板の第２の界面上に形成される又は前記基板に埋め込まれる１つ又は複数の光学鏡を有し、
前記１つ又は複数の光学鏡が、前記第１の又は第２の界面に入射する前記波長領域の光学放射線の一部を後方反射するように配置及び設計され、
前記１つ又は複数の光学鏡が、平面鏡又は前記１つ又は複数の湾曲領域の曲率半径とは異なる曲率半径を持つ曲面鏡である、
光学素子。
【請求項２】
前記光学鏡が、前記光学素子の前記第１の若しくは第２の界面又は内側界面における連続的な又はパターニングされた反射コーティングで形成される、
請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
スペーサ構造又はスペーサ素子が、前記基板の前記第１の又は第２の界面に付着される又は前記基板に一体化される、
請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記波長領域において光学的に透明なスペーサ層が、前記基板の前記第１の又は第２の界面に付着される、
請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の光学素子を有するＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイにおいて、
前記１つ又は複数の光学鏡が、前記ＶＥＣＳＥＬの拡張された鏡又は前記ＶＥＣＳＥＬアレイの拡張された鏡を形成する、
ＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイ。
【請求項６】
前記光学鏡は、前記ＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイがレーザ放射線を放射する波長領域においてＲ≧３０％の反射率を持つ、
請求項５に記載のＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイ。
【請求項７】
前記光学鏡が、前記湾曲領域の曲率半径より大きい曲率半径を持つ曲面鏡である、
請求項５に記載のＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイ。
【請求項８】
前記湾曲領域の曲率半径は、前記光学レンズが、前記光学鏡を通る前記ＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイにより放射されたレーザ放射線をコリメートするように選択される、
請求項５に記載のＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイ。
【請求項９】
前記光学素子は、前記ＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイに直接的に、又はスペーサを介して、又は前記ＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイがレーザ放射線を放射する波長領域において光学的に透明であるスペーサ層を介して付着される、
請求項５に記載のＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも光学的放射線の波長領域において透明である基板で形成される光学素子に関し、前記基板の第１の界面は、前記基板に一体化された光学レンズ又は光学レンズのアレイの一部を形成する１つ又は複数の湾曲領域を有する。本発明は、前記レーザの発光側に配置されたこのような光学素子を持つ垂直外部キャビティ面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ、vertical external-cavity surface-emitting laser）にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ＶＥＣＳＥＬは、最も期待できる高輝度レーザ光源の１つであり、エッジエミッタと比較して、アドレス可能な２Ｄアレイ構成及び円形ビーム形状のような、多くの利点を提供する。標準的なセットアップにおいて、外部キャビティは、非常に大きくかつ洗練された調整を必要とする巨視的な光学素子からなる。ウエハ上で外部光学部品を実現し、このウエハを、前記ＶＥＣＳＥＬの半導体部品を持っているＧａＡｓウエハに結合することにより、数千のマイクロＶＥＣＳＥＬを並列に製造し、ＶＣＳＥＬ（垂直キャビティ面発光レーザ）のように前記ウエハ上で直接的にこれらを試験することが可能である。G.A. Keeler et al. "Single Transverse Mode Operation of Electrically Pumped Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Lasers with Micromirrors", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 17, No. 3, March 2005, pp 522-524は、マイクロモールディングを使用するガラス基板上のマイクロミラーの製造を記載しており、前記基板は、屈折率整合光学エポキシを持つＧａＡｓウエハに結合される。このようなマイクロＶＥＣＳＥＬは、良好な性能（１に近いＭ2）を示す。
【０００３】
前記ＶＥＣＳＥＬの外部キャビティは、半導体ウエハに結合された光学的に透明な基板上の球面鏡により規定される。パワーを高めるために、複数のＶＥＣＳＥＬが、アレイに配置されることができる。熱的な理由で、多数の小さな装置は、少数の大きな装置より適している。小さな作動直径（active diameter）、したがって小さなビームウエストは、高い発散角を意味し、このようなアレイの輝度を低減させる。発散角を低下させるために、マイクロレンズアレイが、各ＶＥＣＳＥＬの放射線をコリメートし、したがって、ビームパラメータプロダクト（beam parameter product）を低下させ、前記ＶＥＣＳＥＬアレイの輝度を増大させるのに使用されることができる。しかしながら、積み重ねられた光学透明ウエハが使用される場合、チップレベル又はウエハレベルのいずれかで、追加の調整ステップが、このレンズに対して必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、製造中の追加の調整ステップの必要性なしでＶＥＣＳＥＬの輝度を増大させるＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイを製造する手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、請求項１に記載の光学素子で達成される。請求項６は、このような光学素子を有するＶＥＣＳＥＬ（アレイ）を記載する。この光学素子又はＶＥＣＳＥＬアレイの有利な実施例は、従属請求項の対象であるか、又は明細書の後の部分に記載される。
【０００６】
提案される光学素子は、少なくとも光学放射線の波長範囲内の波長領域において透明である基板で形成される。本特許出願において、光学放射線は、赤外（ＩＲ）、可視（ＶＩＳ）及び紫外（ＵＶ）波長範囲の電磁放射線を意味する。前記基板は、前記光学素子が設計される対応するＶＥＣＳＥＬがレーザ放射線を放射する波長領域においてのみ透明でなければならない。前記基板の第１の界面は、前記基板に一体化された光学レンズ又は光学レンズのアレイ、特にマイクロレンズの一部を形成する１つ又は複数の湾曲領域を有する。前記基板は、前記第１の界面の反対側の前記基板の第２の界面上に形成された又は前記第１の界面に実質的に平行な面において前記基板に埋め込まれた１つ又は複数の光学鏡を有する。前記１つ又は複数の光学鏡は、前記第１の又は第２の界面に入射する前記波長領域の光学放射線の一部を後方反射するように配置及び設計される。この構成は、９０°の角度で入射する前記波長領域の光学放射線が、部分的に前記対応する光学鏡により後方反射されるのに対し、残りの部分は、前記基板において前記鏡の後ろに形成された前記レンズを通過する。このために、前記鏡の反射率は、好ましくは、所望の波長領域において３０％ないし９９．５％である。前記１つ又は複数の光学鏡は、平面鏡又は前記光学レンズを形成する前記１つ又は複数の湾曲領域の曲率半径とは異なる曲率半径を持つ湾曲鏡である。
【０００７】
前記光学素子の鏡が前記ＶＥＣＳＥＬの外部鏡を形成するＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイの一部としてこのような光学素子を使用すると、前記鏡を通るレーザ放射線は、前記光学レンズによりコリメートされることができ、したがって、前記ＶＥＣＳＥＬのより高い輝度を可能にする。
【０００８】
本発明は、したがって、ＶＥＣＳＥＬの外部鏡及び単一の基板、好ましくはガラス基板上のコリメーションレンズの組み合わせを使用することを提案する。このような光学素子は、例えば以下のように製造されることができる。第１のステップにおいて、マイクロレンズ、特に球面マイクロレンズは、例えばガラスモールディング、ＵＶモールディング又はＲＩＥ転写（ＲＩＥ：反応性イオンエッチング）により、前記基板上に形成される。反射コーティングは、前記レンズ上に付着され、前記レンズの表面は、前記ＶＥＣＳＥＬの外部マイクロミラーとして機能する。前記反射コーティングは、前記表面の一部しか覆わないこともありえ、すなわちパターニングされうる。これは、例えばモード選択に対して、前記放射線の特別な角度領域のみを後方反射するように機能しうる。第２のステップにおいて、球面マイクロレンズ又は異なる曲率半径（ＲＯＣ）を持つ非球面マイクロレンズが、前記第１のマイクロレンズの上に、すなわち前記マイクロミラーの上に形成される。この更なるマイクロレンズの表面のＲＯＣは、前記ＶＥＣＳＥＬから前記マイクロミラーを通ってくる光がコリメートされるように選択される。このような光学素子は、ＶＥＣＳＥＬの製造中に前記マイクロレンズに対して追加の調整ステップを必要としない。したがって、製造プロセスは単純化される。
【０００９】
有利な実施例において、前記光学素子は、例えばウエハ上で、ＶＥＣＳＥＬアレイにおいて使用されることができるマイクロレンズ及びマイクロミラーのアレイを有する。前記光学素子は、前記ＶＥＣＳＥＬの半導体部品を持つ前記基板（キャリア基板）に異なる技術で付着されることができる。前記部品は、例えば、このキャリア基板、例えば半導体基板、又は前記ＶＥＣＳＥＬの半導体部品を形成する層スタックに結合、接着又ははんだ付けされうる。
【００１０】
前記ＶＥＣＳＥＬは、例えば、第１のＤＢＲ（分散ブラッグ反射器）と第２のＤＢＲとの間に配置された光学利得媒質を有しうる。前記第２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部分的に透明である。前記第２のＤＢＲは、前記外部鏡なしで前記第１のＤＢＲと前記第２のＤＢＲとの間のレージングを可能にしない反射率を持ってもよく、又は前記外部鏡なしで内部レーザキャビティにおけるレージングを可能にする反射率を持ってもよい。前記ＤＢＲ及び前記利得媒質は、半導体基板、特にＧａＡｓ基板上に適切に設計された層スタックから既知のやり方で形成されうる。前記半導体基板を通して放射するＶＥＣＳＥＬの場合、前記外部鏡を形成する前記光学素子は、この場合に生成されたレーザ放射線に対して光学的に透明でなくてはならないこの基板に付着される。前記ＶＥＣＳＥＬを動作するのに必要な電気接続も、既知のやり方で形成されることができる。
【００１１】
前記キャリア基板の表面に前記光学素子を直接的に付着する代わりに、前記キャリア基板の表面上に又は前記レーザの隣に取り付けられたスペーサを使用することも可能であり、前記光学素子は、前記スペーサに取り付けられる。前記スペーサは、第一に、前記光学素子の表面に付着されてもよく、又は前記光学素子の製造中にこの表面に一体化されてもよい。このような実施例において、前記光学素子の表面と前記層スタックとの間に空隙が残る。更に、透明なスペーサ層が、前記光学素子と前記キャリア基板との間に付着されうる。このような層は、この素子の製造中に前記光学素子の表面上に既に形成されていてもよい。前記キャリア基板に前記光学素子を付着する代わりに、（エピタキシ側発光ＶＥＣＳＥＬ又はキャリア基板を取り外したＶＥＣＳＥＬの場合に）前記光学素子は、前記第２のＤＢＲ又は下にあるＶＥＣＳＥＬスタックの他の構造、例えば中間層に、又は前記第２のＤＢＲを省略する場合に前記作動領域上の層上に、付着されることもありうる。前記ＶＥＣＳＥＬの層スタックは、当技術分野において既知の異なるやり方で作成されることができる。
【００１２】
好適な実施例において、前記光学素子の鏡は、曲面鏡、特に凹面鏡であり、前記マイクロレンズを形成する前記光学素子の前記第１の界面上の湾曲領域の曲率半径は、前記ＶＥＣＳＥＬにより放射されるレーザ放射線をコリメートするように選択される。好ましくは、前記鏡のＲＯＣは、前記マイクロレンズの湾曲領域のＲＯＣより大きい。それでも、前記マイクロレンズは、他のビーム形成効果を達成するように設計されることもありうる。
【００１３】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して説明され、明らかになる。
【００１４】
以下の例示的な実施例は、請求項により規定される保護範囲を限定することなしに添付の図面を参照して提案された光学素子及びＶＥＣＳＥＬの例を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】従来技術の解決法と比べたＶＥＣＳＥＬアレイ上に取り付けられた光学素子の第１の例を示す。
【図１Ｂ】従来技術の解決法と比べたＶＥＣＳＥＬアレイ上に取り付けられた光学素子の第１の例を示す。
【図１Ｃ】従来技術の解決法と比べたＶＥＣＳＥＬアレイ上に取り付けられた光学素子の第１の例を示す。
【図２】提案された光学素子の第２の例を示す。
【図３】提案された光学素子を持つＶＥＣＳＥＬアレイの一例を示す。
【図４】提案された光学素子を持つＶＥＣＳＥＬアレイの他の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、従来技術の解決法と比べた本発明の光学素子を持つＶＥＣＳＥＬアレイの一実施例の比較を示す。図１Ａは、外部鏡が、光学的に透明なキャリア基板１２０に付着される光学的に透明な基板２００上に形成され、前記ＶＥＣＳＥＬの半導体層スタックが、光学的に透明なキャリア基板１２０上に結合又は成長される従来技術のＶＥＣＳＥＬアレイを描く。この構成は、前記キャリア基板を通してレーザ放射線を放射する、いわゆる裏側又は底部発光ＶＣＳＥＬに似ている。基板２００上の前記外部鏡は、表面を球面（又は非球面）形状（鏡面２１０）に加工し、この表面上に反射層をコーティングすることにより形成される。前記表面の結果として生じる湾曲領域の曲率半径（ＲＯＣ）は、条件ＲＯＣ＞Ｌを満たし、Ｌは前記ＶＥＣＳＥＬの利得領域に対するこれら外部凹面鏡の距離である。
【００１７】
ＶＣＳＥＬの分野において、このようなアレイのＶＣＳＥＬ１１１のレーザ放射をコリメートするためにマイクロレンズのアレイを使用することが既知である。これらのマイクロレンズは、光学的に透明な基板２００において形成され、光学的に透明な基板２００の表面が、図１Ｂに示されるように、前記マイクロレンズの一部を形成する湾曲領域を提供するように球面（又は非球面）形状（レンズ表面２２０）に加工される。
【００１８】
図１Ｃは、本発明による一体化された光学素子を持つ提案されたＶＥＣＳＥＬアレイの一例を示す。前記光学素子は、反射コーティングを持つ球面（又は非球面）形状表面により形成される一体化されたマイクロミラーと、前記基板表面の球面（又は非球面）形状（レンズ表面２２０）により前記マイクロミラーの上に形成された一体化されたマイクロレンズとを持つ光学的に透明な基板２００を有する。
【００１９】
前記光学素子のこのような構造を達成するために、基板２００の表面は、球面又は非球面形状（ミラー表面２１０）を持つ複数の湾曲領域を持つように加工される。前記基板は、所望の波長領域において光学的に透明な適切な材料で作られ、例えばガラス、ガリウムヒ素、ケイ素等で作られる。ガラス基板を使用する場合、鏡面２１０の球面形状は、例えばガラスモールディング、ＲＩＥ転写、機械加工又は熱エンボス加工により達成されることができる。前記基板に異なる材料を付着し、例えばＵＶレプリケーションにより又はジェット加工を用いる高分子の堆積により、この異なる材料を所望の形状に形成することも、可能である。鏡面２１０の球面形状のＲＯＣは、距離Ｌにおいて利得媒質を持つＶＥＣＳＥＬのレーザキャビティのエンドミラーの１つを形成する球面鏡として機能するように選択される。通常、この外部球面鏡のＲＯＣは、Ｌより大きく、好ましくは約２Ｌである。反射コーティングは、所望の波長領域において典型的には３０％ないし９９．５％である所望の反射率Ｒを提供するように鏡面２１０に塗布される。次のステップにおいて、前記波長領域において光学的に透明な材料は、鏡面２１０上に（すなわち鏡面２１０の前記コーティング上に）堆積され、鏡面２１０のＲＯＣより小さい異なるＲＯＣを持つ球面レンズ面２２０に成形される。レンズ面２２０の正確なＲＯＣは、コリメーション条件により決定され、約１．５の屈折率の材料に対して約Ｌ／２である。前記レンズ面は、全てのレンズに対して周知であるように、収差を最小化するように非球面形状を持つこともできる。レンズ面２２０は、前記光学素子の性能を最適化するように反射防止コーティングされることができる。前記ＶＥＣＳＥＬの半導体層スタック１１０は、当技術分野において既知であるように設計されうる。図１Ｃ及び後に続く図３及び４の場合に、前記半導体層スタックは、基板側発光ＶＣＳＥＬの場合のように光学的に透明なキャリア基板１２０上に構成され、前記光学素子は、このキャリア基板に付着される。前記層スタックが、前記層スタックの反対側に配置されたキャリア基板上で成長される又は取り付けられることもありうることは、当業者に明らかである。前記光学素子は、この場合、前記層スタックに直接的に又は１つ又は複数の中間層若しくはスペーサを介して付着される。前記光学素子は、前記レーザの隣に配置されたスペーサ上に、例えばサブマウント若しくはヒートシンク上に、又は前記キャリア基板が除去される場合に、前記エピタキシャル層スタック上に直接的に取り付けられることもできる。
【００２０】
鏡面２１０とレンズ面２２０との間に形成されたコリメーションレンズの材料は、基板２００の材料又は前記鏡が形成される材料とは異なることができる。有利な実施例は、基板２００及び鏡面２１０を形成するモールドガラスウエハ及びマイクロレンズ面２２０を形成する前記反射コーティングの上の高分子材料を有する。鏡面２１０は、凹面形状を持つように示されているが、前記鏡は、本発明の全ての実施例において平面鏡であることもできる。このような場合に、レンズ面２２０は、前記光学素子の唯一の湾曲面である。
【００２１】
代替実施例において、図２に示されるように、前記鏡は、適切なミラーコーティングにより、及び利用可能である場合にこの界面又は側面の適切な成形により、基板２００の１つの界面上に形成されることもできる。図２は、前記マイクロレンズの球面２２０を持つ界面の反対側の界面上に形成される凹面鏡面２１１を示す。それでもなお、鏡２１１は、基板２００の平らな界面に反射コーティングを塗布することにより平面鏡として形成されることもありうる。
【００２２】
図３は、前記マイクロミラー（鏡面２１１）及びマイクロレンズ（レンズ面２２０）を持つ前記光学素子が、スペーサ構造３１０を介してＶＥＣＳＥＬキャリア基板１２に付着される、本発明のＶＥＣＳＥＬアレイの一実施例を示す。図４は、スペーサ構造３１０の代わりに、透明スペーサ層３１１が、前記光学素子と、前記ＶＥＣＳＥＬの半導体層スタック１１０を持つキャリア基板１２０との間に配置される実施例を示す。
【００２３】
請求項において、単語"有する"は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞"ある"は、複数を除外しない。方策が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの方策の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。請求項内の参照符号は、これらの請求項の範囲を限定すると解釈されるべきではない。実施例は、常に、上下に配置された１つのマイクロレンズに対応する１つのマイクロミラーを示しているが、複数のマイクロミラーを覆う１つの大きなマイクロレンズ又は１つのマイクロミラーを通過する放射線のビーム経路に配置された複数のマイクロレンズを形成することも可能でありうる。このような構成は、ＶＥＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬアレイの特別な応用に対して有利でありうる。
【符号の説明】
【００２４】
１１０  ＶＥＣＳＥＬの半導体層スタック
１１１  ＶＣＳＥＬ
１２０  キャリア基板
２００  透明基板
２１０  鏡面
２１１  鏡面
２２０  レンズ面
３１０  スペーサ
３１１  スペーサ層
【図１Ａ】
2013541854.tif 000003
【図１Ｂ】
2013541854.tif 000004
【図１Ｃ】
2013541854.tif 000005
【図２】
2013541854.tif 000006
【図３】
2013541854.tif 000007
【図４】
2013541854.tif 000008
【国際調査報告】
2013541854.tif 000009
2013541854.tif 000010
2013541854.tif 000011