(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの半導体基板（１０）と、所定の波長域の放射を生成する、半導体基板（１０）上に配置された少なくとも１つのアクティブ層（２０）と、アクティブ層（２０）の一端部に、当該アクティブ層に垂直に配置され、アクティブ層（２０）内で生成された放射の一部が出射する少なくとも１つのレーザーミラー（４０）とを備える半導体レーザーに関する。レーザーミラー（４０）には、レーザーミラー（４０）を通って出射する放射の光出力‐電流‐特性曲線の上昇を低減させることに適した吸収性材料層（５０，６０）が備えられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．少なくとも１つの半導体基板（１０）と、
ｂ．上記半導体基板（１０）上に配置された少なくとも１つのアクティブ層（２０）と、
ｃ．上記アクティブ層（２０）の一端部に配置され、上記アクティブ層（２０）内で生成された放射の一部が出射する少なくとも１つのレーザーミラー（４０）とを備え、
上記レーザーミラー（４０）には、上記レーザーミラー（４０）を通って出射する放射の光出力‐電流‐特性曲線の上昇を低減させることに適した吸収性材料層（５０，６０）が備えられている、半導体レーザー。
【請求項２】
ａ．少なくとも１つの半導体基板（１０）と、
ｂ．上記半導体基板（１０）上に配置された少なくとも１つのアクティブ層（２０）と、
ｃ．上記アクティブ層（２０）の一端部に配置され、上記アクティブ層（２０）内で生成された放射の一部が出射する少なくとも１つのレーザーミラー（４０）と、
ｄ．上記半導体基板（１０）上に配置された吸収体モジュール（２００）とを備え、
上記吸収体モジュール（２００）は、生成された上記放射の方向に、上記レーザーミラー（４０）から間隔（２１０）を置いて配置されており、上記吸収体モジュール（２００）の後方における、上記レーザーミラー（４０）を通って出射する放射の光出力‐電流‐特性曲線の上昇を低減させることに適している、半導体レーザー。
【請求項３】
上記吸収性材料層（５０，６０）、および／または、上記吸収体モジュール（２００）は、上記光出力‐電流‐特性曲線の上昇を、係数１０だけ、好ましくは係数１，０００だけ、および最も好ましくは係数１０，０００だけ低減させる、請求項１または２に記載の半導体レーザー。
【請求項４】
上記吸収性材料層（５０）、および／または、上記吸収体モジュール（２００）は、上記生成された放射の波長域において吸収する、１つまたは複数の半導体材料および／または半導体化合物、炭素または炭素化合物、および／または、１つまたは複数の塗料、若しくは、１つまたは複数のラッカーを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
【請求項５】
上記レーザーミラー（４０）と上記吸収性材料層（５０，６０）との間に、少なくとも１つの電気絶縁層（７０）が備えられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
【請求項６】
上記吸収性材料層（６０）は、１つまたは複数の金属、特にチタンを含む、請求項５に記載の半導体レーザー。
【請求項７】
上記吸収体モジュール（２００）は、１つまたは複数の金属、特にチタンを含む、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項８】
上記レーザーミラー（４０）と、上記吸収性材料層（５０，６０）または上記吸収体モジュール（２００）との間に、少なくとも１つの反射層（８０）が備えられている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
【請求項９】
上記反射層（８０，９０）の、発光波長域における反射係数は、≧３０％、好ましくは≧５０％、および最も好ましくは≧９０％である、請求項８に記載の半導体レーザー。
【請求項１０】
上記反射層（８０）は、少なくとも１つの金属酸化物、特に酸化アルミニウム、酸化チタン、および／または、酸化マグネシウムを含む、請求項８または９に記載の半導体レーザー。
【請求項１１】
上記反射層（８０）は、少なくとも１つの半導体材料、例えばシリコン、半導体化合物、例えば二酸化シリコン、および／または、１つの半導体材料と１つの半導体化合物とから成る層構造を含む、請求項８または９に記載の半導体レーザー。
【請求項１２】
上記レーザーミラー（４０）と上記反射層（８０）との間に、少なくとも１つの電気絶縁層（７０）が備えられている、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
【請求項１３】
上記レーザーミラー（４０）と上記電気絶縁層（７０）との間に、少なくとも１つの反射層（８０）が備えられている、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
【請求項１４】
上記反射層（８０）と上記吸収性材料層（５０，６０）との間に、少なくとも１つの電気絶縁層（１００）が備えられている、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
【請求項１５】
上記反射層（９０）は、少なくとも１つの金属、特に金または銀を含む、請求項１４に記載の半導体レーザー。
【請求項１６】
上記レーザーミラー（４０）の後方に間隔（２１０）を置いて配置された上記吸収体モジュール（２００）は、光線に垂直な面を有しており、上記レーザーミラー（４０）を通って出射する光の強度の少なくとも９９．９％が、上記光線に垂直な面に衝突する、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項１７】
上記吸収体モジュール（２００）は、上記レーザーミラー（４０）側の少なくとも１つの側面に、吸収性材料層（５０，６０）を備えている、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項１８】
上記吸収体モジュール（２００）の表面全体に、吸収性材料層（５０，６０）が備えられている、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項１９】
上記吸収体モジュール（２００）は、エピタキシャル法によって、上記半導体基板（１０）上に形成される、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項２０】
上記吸収体モジュール（２００）は、接着法またははんだ付けによって、上記半導体基板（１０）上に固定される、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項２１】
上記半導体基板（１０）上に配置された吸収体モジュール（２００）をさらに備える半導体レーザーであって、上記吸収体モジュール（２００）は、上記生成された放射の方向に、上記レーザーミラー（４０）から間隔（２１０）を置いて配置されており、上記吸収体モジュール（２００）の後方における、上記レーザーミラー（４０）を通って出射する放射の光出力‐電流‐特性曲線の上昇を低減させることに適している、請求項１に記載の半導体レーザー。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載の半導体レーザーを備える、ガス濃度を測定するためのセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーミラー上に、レーザーミラーを通って放出される放射を抑制するための吸収体が取り付けられた半導体レーザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体レーザーは、既に多くの産業分野において、高効率なコヒーレント光源としての重要な役割を果たしている。半導体レーザーは、例えば、電気通信分野およびセンサの分野において、用いられている。
【０００３】
一般に、半導体レーザーは、その構造により、レーザーミラーとして機能する半導体結晶の２つの劈開面を介して発光する。しかし通常は、１つのレーザーミラーを介して取り出された放射だけが、光学素子により集められ、さらに利用される。これらの有用な光は、通常、正面側のレーザーミラーによって発光される。背面側のレーザーミラーを介して放出される放射は、放射光源の効率を制限する損失源とみなされる。この損失をできるだけ少なく抑えるために、背面側のレーザーミラーにさらに金属被膜が設けられている場合が多い。しかし、背面側に金属被膜が設けられたこのレーザーダイオードでも、利用可能な光出力のうちの少なくとも数パーセントは、背面側のレーザーミラーを介して放出される。
【０００４】
半導体レーザーは、通常、正面側のレーザーミラーが、光学的放射を表示するために用いられる光学素子の側に来るように、ハウジングの中に設置されている。これに対して、背面側のレーザーミラーは、ほとんどの場合、１つまたは複数のハウジング部材の方向を向いている。背面側のレーザーミラーを通ってレーザーダイオードを出射した光子は、少なくとも部分的に、ハウジング部材によって反射される。この、背面側のレーザーミラーから放射された光の一部は、何回も屈曲することにより、正面側で放射された光を集める表示用の光学素子の中に入ってしまうことがある。この散光が有用な光学的放射の中に結合することにより、該光学的放射のコヒーレント特性が悪化してしまい、変調動作するレーザーダイオードでは、光の強度の時間的ばらつきを制御することが不可能になり、一定の注入電流で動作するレーザーダイオードでは、初期光出力が変動してしまう。
【０００５】
センサの分野、特に、ガスセンサの分野では、大気中のｐｐｍ（parts per million：100万分の1）の範囲の極めてわずかな濃度の分子でも、信頼性を有して検出可能でなければならない。この分野では、可同調レーザーダイオード分光法（ＴＤＬＳ，tunable diode laser spectroscopy）を用いることが効果的である。ＴＤＬＳを用いるための重要な条件は、まず、レーザー共振器のただ１つの基本振動の光を放射するレーザーダイオードを製造可能でなければならない点である。ＴＤＬＳでは、様々な分子の検出は、レーザーダイオードを用いて、各分子に特徴的な回転振動遷移を励起させることによって、行われる。この回転振動遷移を励起させることにより、分子の遷移の特徴的な周波数において、光線から、個々の光子が抽出される。ここで、ガスセンサの分野におけるレーザーダイオードの使用に重要なさらなる２つの条件が生じる。すなわち、励起された半導体レーザーの線幅が、極めて狭くなければならない点、つまり、検出される分子の回転振動の遷移の線幅と同じ位の幅でなければならない点と、発光波長が、１つまたは複数の遷移と正確に一致すること、および、この１つまたは複数の遷移の範囲で、選択的に同調されることが可能でなければならない点である。特許文献EP第0 985 535 Bl号に開示されている、ラテラルカップリングを備えるＤＦＢ（distri-buted
feedback：分布帰還）型レーザーダイオードは、上述の条件をすべて満たすものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、散光が正面側のレーザーミラーの光線に結合することが制御できないため、わずかな濃度の分子を検出するために利用可能な信号の質が悪化し、ＤＦＢレーザーダイオードを光源として備えるセンサ装置の検出感度が、悪影響を受けやすい。
【０００７】
従って、本発明の目的は、背面側のレーザーミラーを通って散光として放出される放射が、有用な光線に結合することを妨げる手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、この目的は、請求項１に記載の装置によって達成される。一態様において、この装置は、少なくとも１つの半導体基板と、上記半導体基板の上に配置された少なくとも１つのアクティブ層と、上記アクティブ層の一端部に配置され、上記アクティブ層内で生成された放射の一部が出射する少なくとも１つのレーザーミラーとを備える半導体レーザーを含む。上記レーザーミラーには、上記レーザーミラーを通って出射する放射の光出力‐電流‐特性曲線の上昇を低減させることに適した吸収性材料層が備えられている。
【０００９】
本発明のさらなる一実施形態によれば、上述の目的は、請求項２に記載の装置により達成される。他の一態様において、この装置は、少なくとも１つの半導体基板と、上記半導体基板上に配置された少なくとも１つのアクティブ層と、上記アクティブ層の一端部に配置され、上記アクティブ層内で生成された放射の一部が出射する少なくとも１つのレーザーミラーと、上記半導体基板上に配置された吸収体モジュールとを備える半導体レーザーとを含む。上記吸収体モジュールは、生成された上記放射の方向に、上記レーザーミラーから間隔を置いて配置されており、上記吸収体モジュールの後方における、レーザーミラーを通って出射する放射の光出力‐電流‐特性曲線の上昇を低減させることに適している。
【００１０】
背面側のレーザーミラー上の吸収性材料層、および／または、吸収体モジュールは、放射が背面側のレーザーミラーを通過した後に該放射を吸収し、これを熱に変換するものである。わずかな光子だけしか、この吸収体層および／または吸収体モジュールから出射し、後方のハウジング部材に到達することはできない。実際に散光として、有用な光線に結合される光子の数は、極わずかである。背面側のレーザーミラーに由来する散光が、有用な光線のコヒーレント特性を悪化させることは、妨げられる。このため、有効信号の光線の質の悪化によって、センサ分野のアプリケーションにおける検出の感度が阻害されることはもうない。
【００１１】
本発明の原理の適用は、レーザーダイオードに制限されない。本発明の原理は、ＬＥＤ（light emitting diodes：発光ダイオード）にも同様に用いることが可能である。
【００１２】
また、吸収体モジュールを半導体基板上に配置することは、必須事項ではない。吸収体モジュールをハウジングの一部または複数の部分、例えば、レーザーダイオードの支持基板の上に配置することも、想定可能である。
【００１３】
好ましい一態様では、吸収性材料層および／または吸収体モジュールは、光出力‐電流‐特性曲線の上昇を、係数１，０００だけ、好ましくは係数１０，０００だけ、および最も好ましくは係数１００，０００だけ低減させる。
【００１４】
好ましい他の一態様では、吸収性材料層および／または吸収体モジュールは、生成された放射の波長域において吸収する、１つまたは複数の半導体材料および／または半導体化合物、炭素または炭素化合物、および／または、１つまたは複数の塗料、若しくは１つまたは複数のラッカーを含む。
【００１５】
特に好ましい一態様では、レーザーミラーと吸収性材料層との間に、少なくとも１つの電気絶縁層が設けられている。
【００１６】
特に極めて好ましい一態様では、吸収性材料層は、１つまたは複数の金属、特にチタンを含む。特に極めて好ましい他の一態様では、吸収体モジュールは、１つまたは複数の金属、特にチタンを含む。
【００１７】
特に好ましい他の一態様では、レーザーミラーと、吸収性材料層または吸収体モジュールとの間に、少なくとも１つの反射層が備えられている。
【００１８】
好ましい一態様では、上記反射層の、発光波長域における反射係数は、≧９０％である。
【００１９】
好ましい他の一態様では、誘電性の上記反射層は、少なくとも１つの金属酸化物、例えば酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、および／または、酸化チタンを含む。さらに、好ましい他の一態様では、反射層は、少なくとも１つの半導体材料、例えばシリコン、半導体化合物、例えば二酸化シリコン、および／または、半導体材料と半導体化合物とから成る層構造を含む。
【００２０】
好ましい一態様では、レーザーミラーと反射層との間に、少なくとも１つの電気絶縁層が設けられている。好ましい他の一態様では、レーザーミラーと電気絶縁層との間に、反射層が備えられている。
【００２１】
さらに好ましい一態様では、反射層と吸収性材料層との間に、少なくとも１つの電気絶縁層が備えられている。
【００２２】
好ましい他の一態様では、反射層は、少なくとも１つの金属、特に金または銀を含む。
【００２３】
他の一態様では、レーザーミラーの後方に間隔を置いて配置された吸収体モジュールは、光線に垂直な面を有しており、レーザーミラーを通って出射する光の強度の少なくとも９９．９％が、上記光線に垂直な面の上に衝突する。
【００２４】
好ましい一態様では、吸収体モジュールは、レーザーミラー側の少なくとも１つの側面に、吸収性材料層を備えている。好ましい他の一態様では、吸収体モジュールの表面全体に、吸収性材料層が備えられている。
【００２５】
さらに、好ましい一態様では、吸収体モジュールは、エピタキシャル法によって、半導体基板上に形成される。好ましい他の一態様では、吸収体モジュールは、接着法またははんだ付けによって、半導体基板上に固定される。
【００２６】
さらに、他の一態様では、少なくとも１つの半導体基板と、上記半導体基板上に配置された少なくとも１つのアクティブ層と、上記アクティブ層の一端部に配置され、上記アクティブ層内で生成された放射の一部が出射する少なくとも１つのレーザーミラーとを備え、上記レーザーミラーに、上記レーザーミラーを通って出射する放射の光出力‐電流‐特性曲線の上昇を低減させることに適した吸収性材料層が設けられている半導体レーザーは、半導体基板（１０）上に配置された吸収体モジュールをさらに備えている。上記吸収体モジュールは、生成された上記放射の方向に、上記レーザーミラーから間隔を置いて配置されており、上記吸収体モジュールの後方における、上記レーザーミラーを通って出射する放射の光出力‐電流‐特性曲線の上昇を低減させることに適している。
【００２７】
特に極めて好ましい一態様では、ガス濃度を測定するためのセンサ装置は、上述の態様のうちのいずれか１つの態様にかかる半導体レーザーを備える。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明にとって最も重要な構成要素である、背面側のレーザーミラー上に吸収性材料層を備える半導体レーザーを示す概略的な図である。
【図２】図２は、本発明にとって最も重要な構成要素である半導体レーザーを示す概略的な図であり、ここでは、半導体基板上に、吸収体モジュールが、背面側のレーザーミラーからは間隔を置いて設けられている。
【図３】図３は、図１の背面側のレーザーミラーと吸収性材料層との間に、電気絶縁層が設けられた図である。
【図４】図４は、図１の背面側のレーザーミラーと吸収性材料層との間に、反射層が設けられた図である。
【図５】図５は、図４の背面側のレーザーミラーと反射層との間に、電気絶縁層が設けられた図である。
【図６】図６は、電気絶縁層および反射層の順番が変更された、図５を示す図である。
【図７】図７は、図５の反射層と吸収性材料層との間に、電気絶縁層が設けられた図である。
【図８】図８は、正面側に反射防止処理が施されたレーザーミラー（ＲＦ＝１０％）と、背面側に金属被膜が設けられたレーザーミラー（ＲＲ＝９０％）とを備える半導体レーザーの、推定される光出力‐電流‐特性曲線を示す図である。
【図９】図９は、吸収性材料層をコーティングする前および後に測定した、背面側のレーザーミラー（ＲＲ＝９５％）の光出力‐電流‐特性曲線を示す図であり、正面側のレーザーミラーの反射係数は２０％である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下の詳細な説明では、本発明の、現在のところ好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
以下では、本発明にかかる装置の好ましい態様について、より詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本発明の原理を説明するために重要である半導体レーザーの層について、概略的に示す図である。半導体基板１０の上に、エピタキシャル法によって、アクティブ層２０が埋め込まれた導波管構造体（図１には図示されていない）を堆積させる。アクティブ層２０において、アクティブ層２０の材料の利得帯域幅内の波長域の光学的放射が、生成される。アクティブ層は、レーザーの正面においては正面側のミラー３０によって、反対側においては、背面側のレーザーミラー４０によって終結している。アクティブ層２０は、必ずしも、図１に示されるようにレーザーミラー３０，４０まで達している必要はない。特に、アクティブ層２０に注入された電流が、レーザーミラー３０とレーザーミラー４０との間の全距離を流れる必要はない。
【００３２】
ファブリーペロー共振器を形成するレーザーミラー３０および４０に加えて、または、これらのレーザーミラーの代わりに、半導体レーザーは、ＤＦＢ（distri-buted feedback：分布帰還型）またはＤＢＲ（distributed Bragg reflection：分布ブラッグ反射型）構造といった、波長を選択するさらなる素子を備えていてよい。本発明にかかる吸収性材料層は、後述する本発明にかかる吸収体モジュールと同様に、光を積層の方向に放射するレーザーダイオード、すなわち、いわゆるＶＣＳＥＬ（vertical cavity surface emitting Iasers：垂直共振発光面レーザー）に用いることが可能である。さらに、本発明にかかる吸収性材料層の使用は、後述する吸収体モジュールと同様に、レーザーダイオードに制限されるものではない。すなわち、本発明の原理は、上述のように、ＬＥＤにも使用可能である。
【００３３】
半導体基板１０の材料系は、レーザーダイオードの実際の波長によって決定される。以下に詳細に説明する本発明の原理は、公知のあらゆる材料系に使用可能であり、青色（例えば窒化ガリウム基板上）から赤外線波長域といった深い波長域までの光を放射するレーザーダイオードまたはあらゆる種類のＬＥＤを製造するために用いることができる。開示される原理は、ＩＩＩ／Ｖ化合物半導体ベースの基板に加えて、ＩＩ／ＶＩ半導体基板または他の好適な基板上に構成されたレーザーダイオードまたはＬＥＤにも使用可能である。さらに、本発明の原理を、有機半導性材料から構成された、頭文字でＯＬＥＤ（organic
light emitting diode：有機発光ダイオード）と呼ばれる発光素子に用いることも可能である。
【００３４】
背面側のレーザーミラー４０には、吸収性材料層５０が設けられており、レーザーミラー４０を通って吸収性材料層５０中に侵入した放射が、当該層の材料によって吸収され、熱に変換されるようになっている。ファブリーペロー共振器を備えるレーザーダイオードでは、吸収性材料層５０の屈折率は、アクティブ層２０の屈折率と同じであってはならない。もし同じであるならば、レーザーミラー４０の効果は失われ、半導体放射光源は、レーザーダイオードとして機能しなくなるであろう。吸収性材料層５０の吸収係数の数値が大きいと、わずかな層厚で、所定の残留透過に到達する。吸収係数が大きいことは、逆に言うと、少量の放射出力の全てが、熱に変換されることを意味している。
【００３５】
図２は、後方の部分において、層構造（アクティブ層２０を含む）が、半導体基板１０の部分まで除去されている、図１に示される半導体レーザーを示す図である。背面側のレーザーミラー４０の後方では、吸収体モジュール２００が、レーザーミラー４０から間隔２１０を置いて、半導体基板１０上に配置されている。ここで、間隔２１０、および、吸収体モジュール２００の、光線の方向に垂直な面は、レーザーミラー４０を通ってレーザー共振器を出射する光子の少なくとも９９．９％が吸収体モジュール２００に衝突するように、選択されている。間隔２１０が小さい場合、吸収体モジュール２００の、レーザーミラー４０側の面が小さくても、この条件が満たされることになる。間隔２１０を大きくすれば、吸収体モジュール２００の、レーザーミラー４０側の面も、これに応じて大きくする必要がある。
【００３６】
吸収体モジュール２００は、エピタキシャル法によって、半導体基板１０上に形成することが可能である。しかし、予め製造された吸収体モジュール２００を、半導体基板１０の上、または、半導体材料から空間的に離間された予備取り付け台の上に、例えば接着法またははんだ付けによって、固定することも可能である。吸収体モジュール２００は、必ずしも、図２に示されるように長方形をしている必要はない。任意の形の吸収体モジュールを用いることが可能である。吸収体モジュール２００を背面側のレーザーミラー４０から間隔２１０を置いて配置することによって、特に光学的出力が大きく、かつ、吸収係数が大きい場合に吸収性材料が加熱され得ることによって生じるレーザーミラー４０の熱的負荷を、回避することが可能である。
【００３７】
図１の吸収性材料層の場合でも、図２の吸収体モジュール２００の場合でも、吸収体材料としては、生成されたレーザー放射の波長域において吸収する、１つの半導体材料、または、多数の半導体材料の組み合わせを用いてよい。光学的放射の波長が１μｍ未満の場合には、例えばシリコンを用いてもよい。バンドギャップが小さいため、より大きな波長の光を吸収することが可能な半導体化合物は、例えば、ヒ化インジウムおよびアンチモン化インジウムである。
【００３８】
吸収性材料は、さらに、炭素、特に、例えばカーボンブラックの形をした無定形炭素をベースに形成することが可能である。炭素化合物も、吸収体材料用の原料として機能し得る。さらに、該当する約０．５μｍから約１０μｍまでの波長域を吸収する層を生成するための塗料またはラッカーも想定可能である。
【００３９】
図４では、図１のレーザーミラー４０と吸収性材料層６０との間に、電気絶縁層７０が挿入されている。このさらなる層は、２つの課題に対処するためのものである。一方の課題は、吸収性材料層６０を、レーザーミラー４０から電気的に分離することである。これによって、吸収体材料として、チタンなどの金属や、多数の金属の組み合わせといった導電性材料を、用いることが可能になる。多くの金属は、約０．５μｍから約１０μｍの波長域において吸収係数が高いため、数１００ｎｍの範囲といった薄い層でも、ほぼすべての光子を吸収することが可能になる。他方の課題は、電気絶縁層７０の材料を選択することにより、レーザーミラー４０の半導体材料と電気絶縁層７０との間の屈折率の違い、および従って、レーザーミラー４０の反射率を明確に設定することである。
【００４０】
図２の吸収体モジュール２００には、１つまたは複数の金属を用いてもよい。
【００４１】
上述の実施形態は、背面側のレーザーミラーの放射を効率よく阻止することによって、第２章において説明した散光の問題を回避するものである。しかし、吸収性材料層５０または電気絶縁層７０の屈折率が１よりも明らかに高い場合には、問題が発生する。この場合、背面側のレーザーミラー４０の反射率がその初期値よりも低くなってしまう。このため、レーザー共振器の品質が悪化し、背面側のレーザーミラーを通って取り出される光出力の割合は高くなる。従って、本発明の原理の特に好ましい態様は、背面側のレーザーミラー４０上にコーティング層を設けることと、該コーティング層の後方に吸収性材料層５０，６０を設けることとを組み合わせたものである。
【００４２】
図３は、この態様を概略的に示す図である。背面側のレーザーミラー４０の反射率は、１つまたは複数の誘電層を含むことが可能な反射層８０によって、設定可能である。特に、背面側のレーザーミラー４０を反射層８０でコーティングすることによって、背面側のレーザーミラー４０の反射率を、その本来の値を超えて上昇させることが可能である。１つまたは複数の誘電層を堆積させることによって、９０％〜９５％の範囲の反射率に到達可能である。反射率が高い反射層８０は、２つの利点を有している。一方の利点は、背面側のレーザーミラー４０が示す損失源が減少する点である。これは結果的に、半導体レーザーの効率を上昇させることになる。他方の利点は、反射層８０の後の吸収性材料層５０，６０において、より少ない光出力しか熱に変換する必要がない点である。このため、許容され得る所定の残留透過において吸収性材料層５０，６０をより薄く形成することが可能である、または、吸収性材料層５０，６０の厚みを変更しない場合にも、層５０，６０を通り抜けることが可能な光子の数は減少する。
【００４３】
上述した反射層８０の利点は、反射層８０が設けられたレーザーミラー４０と、図２に示される吸収体モジュール２００とを組み合わせる場合にも、同様にもたらされる。反射層８０を出射する光子は、吸収体モジュール２００に衝突すると、吸収体モジュール２００の吸収性材料によって、熱に変換される。
【００４４】
図５では、反射層８０および吸収性材料層５０，６０に加えて、図３の電気絶縁層７０が、レーザーミラー４０と反射層８０との間に挿入されている。これによって、レーザーミラー４０および反射層８０における屈折率の上昇を、設定することが可能である。さらに、電気絶縁層７０は、レーザーミラー４０から絶縁層７０までの強度分布の最大値を、変動させることが可能である。これにより、特に正面側のレーザーミラー３０によって取り出された光出力が大きい場合でも、背面側のレーザーミラー４０は、破損しないように保護される。
【００４５】
図６では、これらの両方の層、すなわち電気絶縁層７０および反射層８０の順番が、図５と比べて変更されている。こうすることによって、吸収性材料層５０，６０用の材料を自由に選択することが可能になる。特に、吸収性材料層５０，６０は、１つまたは複数の金属を含むことが可能である。
【００４６】
図７は、反射層８０と吸収性材料層５０，６０との間にさらなる電気絶縁層１００が設けられた、図５の半導体レーザーを示す図である。このさらなる電気絶縁層１００は、反射層８０を吸収性材料層５０，６０から分離するものである。図７に示される層配置では、反射層９０だけでなく吸収性材料層５０，６０にも、特に１つまたは複数の金属または金属化合物といったさらなる材料の区域を用いることが可能である。これは、反射層９０にも、吸収性材料層６０にも当てはまる。
【００４７】
さらに、吸収性材料層５０，６０と吸収体モジュール２００との組み合わせを用いることも可能である。レーザーミラー４０のすぐ近傍では、光出力の一部しか熱に変換されないため、光出力が極めて大きい場合にも、レーザーミラー４０の熱的負荷は制限され得る。さらに、上述の全ての層、すなわち、電気絶縁層７０，１００、反射層８０、および吸収性材料層５０，６０の積層順を、吸収体モジュール２００と組み合わせることも想定可能である。
【００４８】
背面側のレーザーミラー４０に金属被膜を設けることによって、背面側のレーザーミラー４０を通って出射する光出力は、正面側のレーザーミラー３０を通ってレーザー共振器を出射する光学的出力よりも低下する。正面側のレーザーミラー３０に反射防止処理を施すと共に、背面側のレーザーミラー４０に金属被膜を設けることによって、レーザー共振器から取り出可能な正面側の光出力は、さらに増大し得る。
【００４９】
図８は、推定される半導体レーザーの光出力‐電流‐特性曲線の関係を示す図である。この半導体レーザーの正面側のレーザーミラー３０の反射係数は１０％であり、背面側のレーザーミラー４０の反射係数は９０％である。正面側から取り出される光出力と、背面側から取り出される光出力の非対称度は、約３０の範囲にある。これは、正面側のレーザーミラー３０に反射防止処理を施すと共に、背面側のレーザーミラー４０に反射率の高い金属被膜を設けても、依然として、レーザー共振器の光出力の３％〜４％が、背面側のレーザーミラー４０を通って出射していることを意味している。
【００５０】
図９は、吸収性材料層６０を形成する前および後の、背面側のレーザーミラー４０において測定された、ラテラルカップリングを有するＧａｓＡｓ／ＡｌｘＧａ（１−x）Ａｓ（ガリウムヒ素／ヒ化アルミニウムガリウム）ＤＦＢレーザーダイオードの光出力‐電流‐特性曲線を示す図である。このレーザーダイオードはさらに、反射防止処理が施された正面側のレーザーミラー３０（ＲＦ＝２０％）および金属被膜を有する背面側のレーザーミラー４０（ＲＲ＝９５％）を備えている。これは、図４に示される構成において、さらに、正面側のレーザーミラー３０に部分的に反射防止処理が施された構成に相当する。この例では、吸収性材料層６０は、基本的に、チタンを含み、反射層８０は、レーザーミラー４０に隣接した部分から順番にＳｉＯ２／Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉの４つの部分層を含む。
【００５１】
図９から明らかなように、背面側のレーザーミラー４０の後方に吸収性材料層６０を形成した後は、光出力は検出され得ない。背面側のレーザーミラー４０の吸収性材料層６０は、レーザーミラー４０の後方において測定される光出力‐電流‐特性曲線の上昇を、本実施形態では少なくとも係数１０，０００だけ低減する。ただし、この値は、単に推定値を示すものである。なぜなら、反射率の高い金属被膜が設けられた背面側のレーザーミラー４０（ＲＲ＝９５％）と吸収性材料層６０との組み合わせにより、レーザーミラー４０の後方の光出力‐電流‐特性曲線の上昇は、その上昇を実験的に測定することが不可能な程度まで低減されるからである。
【００５２】
電気絶縁層７０，１００および反射層８０は、熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、またはスパッタリング法によって、背面側のレーザーミラー４０の上に堆積させることが可能である。吸収性材料層６０および反射層９０は、熱蒸着法、材料を電気的に蒸着する方法、またはスパッタリング法によって、背面側のレーザーミラー４０の上に堆積させることが可能である。
【００５３】
吸収体モジュール２００は、上述の材料から構成されていてよい。しかし、吸収体モジュールとして、任意の材料から成るボディ、例えばガラスボディまたはプラスチックボディを用いて、少なくともレーザーミラー４０側の側面に、吸収性材料層５０，６０を、前の段落において説明した方法によって設けることも可能である。同様に、ボディの表面全体を吸収性材料層で被覆してもよい。最終的に、吸収性材料層をボディの上に形成するために、さらなるプロセスを用いてもよい。例えば、ボディの表面を吸収性材料でスプレーしてもよいし、ボディを、吸収性材料を入れた浸漬槽の中に浸漬してもよい。
【００５４】
次の表には、図９において用いられた半導体レーザーの、層形成のデータがまとめて示されている。
【００５５】
【表１】
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【図１】
2013503466.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年3月26日(2012.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．少なくとも１つの半導体基板（１０）と、
ｂ．上記半導体基板（１０）上に配置された少なくとも１つのアクティブ層（２０）と、
ｃ．上記アクティブ層の第１の端部に配置され、上記アクティブ層（２０）内で生成された放射の第１の部分が出射する少なくとも１つの正面側のレーザーミラー（３０）と、
ｄ．上記アクティブ層（２０）の、上記第１の端部の反対側にある第２の端部に配置され、上記アクティブ層（２０）内で生成された放射の第２の部分が出射する少なくとも１つの背面側のレーザーミラー（４０）とを備え、
上記背面側のレーザーミラー（４０）には、吸収性材料層（５０，６０）が備えられており、上記吸収性材料層（５０，６０）は、上記背面側のレーザーミラー（４０）を通って出射する放射の光出力‐電流‐特性曲線の上昇を、吸収性材料層（５０，６０）が備えられていない背面側のレーザーミラー（４０）と比べて、低減させることに適しており、
上記吸収性材料層（５０，６０）の層厚は、上記光出力‐電流‐特性曲線の上昇を係数１０だけ、好ましくは係数１，０００だけ、および最も好ましくは係数１０，０００だけ低減するように構成されている、半導体レーザー。
【請求項２】
ａ．少なくとも１つの半導体基板（１０）と、
ｂ．上記半導体基板（１０）上に配置された少なくとも１つのアクティブ層（２０）と、
ｃ．上記アクティブ層の第１の端部に配置され、上記アクティブ層（２０）内で生成された放射の第１の部分が出射する少なくとも１つの正面側のレーザーミラー（３０）と、
ｃ．上記アクティブ層（２０）の、上記第１の端部の反対側にある第２の端部に配置され、上記アクティブ層（２０）内で生成された放射の第２の部分が出射する少なくとも１つの背面側のレーザーミラー（４０）と、
ｄ．上記半導体基板（１０）上に配置された吸収体モジュール（２００）とを備え、
上記吸収体モジュール（２００）は、生成された上記放射の方向に、上記背面側のレーザーミラー（４０）から間隔（２１０）を置いて配置されており、上記吸収体モジュール（２００）の後方における、上記背面側のレーザーミラー（４０）を通って出射する放射の光出力‐電流‐特性曲線の上昇を、上記背面側のレーザーミラー（４０）の後方における上記光出力‐電流‐特性曲線の上昇と比べて、低減させることに適しており、
上記吸収体モジュール（２００）の厚みは、上記光出力‐電流‐特性曲線の上昇を係数１０だけ、好ましくは係数１，０００だけ、および最も好ましくは係数１０，０００だけ低減するように構成されている、半導体レーザー。
【請求項３】
上記吸収性材料層（５０）、および／または、上記吸収体モジュール（２００）は、上記生成された放射の波長域において吸収する、１つまたは複数の半導体材料および／または半導体化合物、炭素または炭素化合物、および／または、１つまたは複数の吸収性ラッカーを含む、請求項１または２に記載の半導体レーザー。
【請求項４】
上記背面側のレーザーミラー（４０）と上記吸収性材料層（５０，６０）との間に、少なくとも１つの電気絶縁層（７０）が備えられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
【請求項５】
上記吸収性材料層（６０）は、１つまたは複数の金属、特にチタンを含む、請求項４に記載の半導体レーザー。
【請求項６】
上記吸収体モジュール（２００）は、１つまたは複数の金属、特にチタンを含む、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項７】
上記背面側のレーザーミラー（４０）と、上記吸収性材料層（５０，６０）または上記吸収体モジュール（２００）との間に、少なくとも１つの反射層（８０）が備えられている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
【請求項８】
上記反射層（８０，９０）の、発光波長域における反射係数は、≧３０％、好ましくは≧５０％、および最も好ましくは≧９０％である、請求項７に記載の半導体レーザー。
【請求項９】
上記反射層（８０）は、少なくとも１つの金属酸化物、特に酸化アルミニウム、酸化チタン、および／または、酸化マグネシウムを含む、請求項７または８に記載の半導体レーザー。
【請求項１０】
上記反射層（８０）は、少なくとも１つの半導体材料、例えばシリコン、半導体化合物、例えば二酸化シリコン、および／または、１つの半導体材料と１つの半導体化合物とから成る層構造を含む、請求項７または８に記載の半導体レーザー。
【請求項１１】
上記背面側のレーザーミラー（４０）と上記反射層（８０）との間に、少なくとも１つの電気絶縁層（７０）が備えられている、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
【請求項１２】
上記背面側のレーザーミラー（４０）と上記電気絶縁層（７０）との間に、少なくとも１つの反射層（８０）が備えられている、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
【請求項１３】
上記反射層（８０）と上記吸収性材料層（５０，６０）との間に、少なくとも１つの電気絶縁層（１００）が備えられている、請求項７〜１２のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
【請求項１４】
上記反射層（９０）は、少なくとも１つの金属、特に金または銀を含む、請求項１３に記載の半導体レーザー。
【請求項１５】
上記背面側のレーザーミラー（４０）の後方に間隔（２１０）を置いて配置された上記吸収体モジュール（２００）は、上記背面側のレーザーミラー（４０）を通って出射する光の強度の少なくとも９９．９％が、上記吸収体モジュール（２００）に衝突するように構成されている、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項１６】
上記吸収体モジュール（２００）は、上記背面側のレーザーミラー（４０）側の少なくとも１つの側面に、吸収性材料層（５０，６０）を備えている、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項１７】
上記吸収体モジュール（２００）の表面全体に、吸収性材料層（５０，６０）が備えられている、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項１８】
上記吸収体モジュール（２００）は、エピタキシャル法によって、上記半導体基板（１０）上に形成される、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項１９】
上記吸収体モジュール（２００）は、接着法またははんだ付けによって、上記半導体基板（１０）上に固定される、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項２０】
上記半導体基板（１０）上に配置された吸収体モジュール（２００）をさらに備える半導体レーザーであって、上記吸収体モジュール（２００）は、上記生成された放射の方向に、上記背面側のレーザーミラー（４０）から間隔（２１０）を置いて配置されており、上記吸収体モジュール（２００）の後方における、上記背面側のレーザーミラー（４０）を通って出射する放射の光出力‐電流‐特性曲線の上昇を低減させることに適している、請求項１に記載の半導体レーザー。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれか１項に記載の半導体レーザーを備える、ガス濃度を測定するためのセンサ装置。
【国際調査報告】
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