(57)【要約】本発明は、３種類のレーザ光源、すなわち、ダイオードレーザ、（一体的に接続された複数のダイオードレーザの形の）複合ダイオードレーザ、ならびに、その増幅器がダイオードレーザの独創的な光共振器と、独創的なレーザ放射結合から構成された（一体的に接続された駆動レーザダイオードおよび半導体増幅素子の形の）複合半導体光増幅器に関する。ダイオードレーザの光共振器の２つの反射材料は、上述の３種類のレーザ放射光源に分類され、その両側でとりうる最大の反射率を有し、活性層を迂回して、実際上完全な反射防止（０．０１％未満）光端面を有するダイオードレーザの本発明の改変されたヘテロ構造の広バンド幅の半導体層を通って活性層からの放射結合が行なわれる。本発明は、広い波長帯において、超高出力、高性能、高速かつ高信頼の、単一周波数、シングルモードおよびマルチモードの３種類の高品質レーザ放射光源の設計を可能にし、その生産を簡略化し、生産コストを削減する。
2011523209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体を主成分とするヘテロ構造を有するダイオードレーザであって、
前記ヘテロ構造は、少なくとも１層の活性層と、少なくとも２層の閉じ込め層と、放射漏出領域と、を有し、
前記漏出領域は、放射を透過させ、
前記漏出領域は、少なくとも漏出層を有し、前記活性層と、対応する閉じ込め層との間、前記活性層の少なくとも一方の上に配置され、
前記ダイオードレーザは、前記ダイオードレーザの動作時に電流が流れる活性領域、光端面、反射材料、光共振器、オーミックコンタクトを有し、
前記ヘテロ構造は、前記漏出層の屈折率ｎＩＮに対する前記ヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆの比によって更に特徴付けられる、すなわち、ｎＩＮに対するｎｅｆｆの前記比が１＋Δ〜１−γの範囲から決定され、Δおよびγは、１より遙かに小さい数によって決定され、γはΔより大きく、
また、電流が流れる前記活性領域の両横側面から所定の距離に、放射閉じ込め領域が配置され、外部層から前記ヘテロ構造内に、前記ヘテロ構造の更に深くまで、少なくとも前記活性層まで延在しており、
光端面上の放射出力側に、レーザ放射反射係数が０に近い反射防止コーティングが施されており、
放射出力の同じ側に、レーザ放射反射係数が１に近い光共振器反射材料が形成されており、
前記反射材料は、前記活性層と、前記活性層の両側に存在する前記ヘテロ構造の半導体層とに隣接し、
前記半導体層の合計膜厚は、少なくとも（λ／４ｎｅｆｆ）μｍ〜（４λ／ｎｅｆｆ）μｍの範囲にあり、λは、自由空間レーザ波長である、ダイオードレーザ。
【請求項２】
Δがゼロに近い、請求項１に記載のダイオードレーザ。
【請求項３】
前記放射出力側に形成された前記反射材料は、前記ヘテロ構造の前記外部層から、ほぼ、前記基板側に存在する前記漏出領域に含まれる前記漏出層まで配置される、請求項１に記載のダイオードレーザ。
【請求項４】
前記放射出力側に、前記ヘテロ構造の膜厚全体にわたって、あるいは、反射コーティングの堆積後に残された前記ヘテロ構造の膜厚の一部において、光端面上に反射防止コーティングが施されている、請求項１に記載のダイオードレーザ。
【請求項５】
前記放射出力側と反対側において、レーザ放射反射係数が１に近い前記光共振器反射材料の高さは、前記ヘテロ構造の膜厚に等しい、請求項１に記載のダイオードレーザ。
【請求項６】
前記放射閉じ込め領域は、電流が流れる前記活性領域の前記横側面から、所定の距離に配置され、前記閉じ込め領域の屈折率は、前記ヘテロ構造の前記実効屈折率ｎｅｆｆより低くなるように選択される、請求項１に記載のダイオードレーザ。
【請求項７】
前記閉じ込め領域は、前記基板側に、前記ヘテロ構造の前記閉じ込め層まで配置されている、請求項１に記載のダイオードレーザ。
【請求項８】
化合物半導体を主成分とする同一のヘテロ構造を有する複合ダイオードレーザであって、
前記ヘテロ構造は、少なくとも１層の活性層と、少なくとも２層の閉じ込め層と、放射漏出領域と、を有し、
前記漏出領域は、放射を透過させ、
前記漏出領域は、少なくとも漏出層を有し、前記活性層と、対応する閉じ込め層との間、前記活性層の少なくとも一方の上に配置され、
前記複合ダイオードレーザは、同一軸上に配置された、少なくとも２つの光共振器、前記複合ダイオードレーザの動作時に電流が流れる少なくとも２つの活性領域、光端面、反射材料、およびオーミックコンタクトも有し、
前記ヘテロ構造は、前記漏出層の屈折率ｎＩＮに対する前記ヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆの前記比によって特徴付けられる、すなわち、ｎＩＮに対するｎｅｆｆの前記比が１＋Δ〜１−γの範囲から決定され、Δおよびγは、１より遙かに小さい数によって決定され、γはΔより大きく、また、電流が流れる前記活性領域の両横側面から所定の距離に、放射閉じ込め領域が配置され、外部層から前記ヘテロ構造内に、前記ヘテロ構造の更に深くまで、少なくとも前記活性層まで延在しており、
光端面上の放射出力側に、レーザ放射反射係数が０に近い反射防止コーティングが施されており、
各光共振器は、レーザ放射反射係数が１に近い反射材料によって閉じ込められ、前記活性層と、前記活性層の両側に存在する前記ヘテロ構造の半導体層とに隣接し、
前記半導体層の合計膜厚は、少なくとも（λ／４ｎｅｆｆ）μｍ〜（４λ／ｎｅｆｆ）μｍの範囲にあり、λは、自由空間レーザ波長である、複合ダイオードレーザ。
【請求項９】
前記放射出力側に、電流が流れる少なくとも１つの活性領域の少なくとも一部が、対応する角度で拡張可能とされる、請求項８に記載の複合ダイオードレーザ。
【請求項１０】
放射出力側と反対側に配置された、前記拡張可能な活性領域の長さの最初の部分は、前記ダイオードレーザの前記活性領域の幅と等しい幅に形成されている、請求項９に記載の複合ダイオードレーザ。
【請求項１１】
電流が流れる前記拡張可能な活性領域のために、高いレーザ放射反射係数を有する前記反射材料は、前記拡張可能な活性領域の前記最初の部分の前記幅とほぼ等しい幅に形成されている、請求項９に記載の複合ダイオードレーザ。
【請求項１２】
前記複合ダイオードレーザの少なくとも２つの活性領域は独立したオーミックコンタクトを有する、請求項８に記載の複合ダイオードレーザ。
【請求項１３】
一体的に接続され、同一軸上に配置され、同一の半導体ヘテロ構造から構成されたマスタダイオードレーザと半導体増幅素子とを有する複合半導体光増幅器であって、 
前記ヘテロ構造は、少なくとも１層の活性層、少なくとも２層の閉じ込め層、放射を透過させる領域を有し、前記複合半導体光増幅器は、光端面、オーミックコンタクトを有し、
また、前記マスタダイオードレーザは、前記マスタダイオードレーザの動作時に電流が流れる活性領域、前記活性領域の両側面からの放射閉じ込め領域、光共振器およびその反射材料を有し、
前記半導体増幅素子は、出力光端面上に反射防止コーティングが施され（前記半導体増幅素子の動作時に電流が流れる）少なくとも１つの増幅領域を有し、
前記ヘテロ構造は、前記漏出層の屈折率ｎＩＮに対する前記ヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆの比によって更に特徴付けられる、すなわち、ｎＩＮに対するｎｅｆｆの前記比が１＋Δ〜１−γの範囲から決定され、Δおよびγは、１より遙かに小さい数によって決定され、γはΔより大きく、
放射を透過させ、漏出領域である前記領域は、少なくとも漏出層を有し、前記活性層と、対応する閉じ込め層との間、前記活性層の少なくとも一方の上に配置され、
また、前記活性領域の両横側面から所定の距離に、前記マスタダイオードの電流が流れる放射閉じ込め領域が配置され、外部層から前記ヘテロ構造内に、前記ヘテロ構造の更に深くまで、少なくとも前記活性層まで延在しており、
前記光共振器は、レーザ放射反射係数が１に近い反射材料によって閉じ込められ、
前記半導体増幅素子の前記活性増幅領域と隣接する前記マスタダイオードレーザの反射材料は、前記活性層と、前記活性層の両側に存在する前記ヘテロ構造の半導体層とに隣接され、
前記半導体層の合計膜厚は、少なくとも（λ／４ｎｅｆｆ）μｍ〜（４λ／ｎｅｆｆ）μｍの範囲にあり、λは、自由空間レーザ波長であり、
前記半導体増幅素子の前記出力光端面上の前記反射防止コーティングは、０に近い反射係数にされている、複合半導体光増幅器。
【請求項１４】
電流が流れる少なくとも１つの増幅領域は、対応する角度で拡張可能にされる、請求項１３に記載の複合半導体光増幅器。
【請求項１５】
電流が流れる前記拡張可能な増幅領域の長さの最初の部分は、前記マスタダイオードレーザの前記活性領域の幅に近い幅に形成されている、請求項１４に記載の複合半導体光増幅器。
【請求項１６】
前記活性領域および前記増幅領域は、独立したオーミックコンタクトを有する、請求項１３に記載の複合半導体光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電子エンジニアリングの主要な部品に関する。つまり、放射品質の高い広波長範囲の小型で効率的かつ高出力のレーザ光源、すなわち、ダイオード（半導体、注入）レーザ、軸上に一体的に接続された複数のダイオードレーザ（以下「複合ダイオードレーザ」と称する）のほか、軸上に一体的に接続されたマスタダイオードレーザおよび半導体増幅素子（以下「複合半導体光増幅器」と称する）に関する。
【背景技術】
【０００２】
高い出力パワーを備え、レーザビーム品質が改善されているダイオードレーザが、以下の発明から知られている。
米国特許第４０６３１８９号明細書、ゼロックスコーポレーション、１９７７年、Ｈ０１Ｓ  ３／１９、３３１／９４．５  Ｈ（米国）
ロシア国特許第２１９７０４８号明細書、Ｖ．Ｉ．ＳＨＶＥＩＫＩＮ、Ｖ．Ａ．ＧＥＬＯＶＡＮＩ、２００２年２月１８日、Ｈ０１  Ｓ  ５／３２
【０００３】
技術的本質、ならびに得ようとしている技術的効果の観点から、例示的なプロトタイプの注入（以下「ダイオード」）レーザが、ロシア国特許第２２７８４５５号明細書、Ｖ．Ｉ．ＳＨＶＥＩＫＩＮ、２００４年１１月１７日、Ｈ０１  Ｓ  ５／３２に提案されている。前記ダイオードレーザは、化合物半導体を主成分とするヘテロ構造、光端面、反射材料、オーミックコンタクト、光共振器を有する。ヘテロ構造は、漏出（ｌｅａｋ−ｉｎ）層の屈折率ｎＩＮに対するヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆの比によって特徴付けられる、すなわち、ｎＩＮに対するｎｅｆｆの比は、１＋Δ〜１−Δの範囲から決定され、Δは、１より遙かに小さい数によって決定される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヘテロ構造は、少なくとも１層の活性層と、活性層の各面に少なくとも１層ずつ設けられた少なくとも２層の反射層を有する。前記反射層は、少なくとも１層のサブレイヤから形成されており、ヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆよりも低い屈折率を有する。また、ヘテロ構造は、放射漏出領域も有する。前記漏出領域は、放射を透過させる。漏出領域は、少なくとも１つあり、活性層と、対応する反射層との間、活性層の少なくとも一方の上に存在する。漏出領域は、屈折率ｎＩＮを有し、少なくとも１層のサブレイヤから構成される放射漏出層を有する。また、漏出領域は、少なくとも１層のサブレイヤから構成される少なくとも１層の閉じ込め層も有する。また、漏出領域は、少なくとも１層のサブレイヤから構成される主調整層も有し、この層は、少なくともそのサブレイヤの１層が、漏出層の屈折率ｎＩＮ以上の屈折率を有し、一方の面が活性層に隣接している。主調整層の反対側の面に、漏出領域の閉じ込め層が隣接しており、前記閉じ込め層は、主調整層の屈折率よりも低い屈折率を有する。光共振器反射材料の反射係数と、ヘテロ構造層の組成および膜厚とは、動作中のダイオードレーザに対して、活性層内の放射の得られる増幅が、動作電流の範囲全体にわたって、励起しきい値を保持するのに充分となるように選択されている。発振しきい値電流のフィールドにおける比ｎｅｆｆ／ｎＩＮは、１＋γ〜１−γの値の範囲から決定され、γの値は、Δ未満の数によって決定される。図５（ロシア国特許第２２７８４５５号明細書、Ｖ．Ｉ．ＳＨＶＥＩＫＩＮ、２００４年１１月１７日、Ｈ０１  Ｓ  ５／３２参照）に対応する例で考察されている注入レーザの構造では、ダイオードレーザの動作時に電流が流れる活性領域は、メサストライプとして作製される。
【０００５】
プロトタイプのダイオードレーザの主な利点は、レーザ出力パワーの増大、垂直面の出射領域の大口径化のほか、これに対応する放射の角度分布の低減である。同時に、プロトタイプのダイオードレーザは、出力パワーの更なる増大を制約し、同時にレーザ放射品質を大きく改善する。
【０００６】
また、既知のプロトタイプのダイオードレーザでは、軸上に一体的に接続された複数のダイオードレーザ、すなわち、複合ダイオードレーザ（以下「ＩＤＬ」と称する）、ならびに、軸上に一体的に接続されたマスタダイオードレーザ（以下「ＭＤＬ」と称する）および半導体増幅素子（以下「ＳＡＥ」と称する）、すなわち、複合半導体光増幅器（以下「ＩＳＯＡ」と称する）を実現することができない。
【０００７】
本提案のＩＤＬに類似するものや、そのプロトタイプも見つかっていない。
【０００８】
高い出力パワーを備え、レーザビーム品質が改善されている複合半導体光増幅器は、以下の発明から知られている。
ロシア国特許第２１０９３８１号明細書（ロシア国特許出願第９６１１５４５４号）、Ｖ．Ｉ．ＳＨＶＥＩＫＩＮ、“ＰＯＬＹＵＳ”  ＲＤＩ  ＳＥ  ＲＵ、１９９６年８月１９日、Ｈ０１Ｓ  ３／１９
ロシア国特許第２１３４００７号明細書、Ｖ．Ｉ．ＳＨＶＥＩＫＩＮ、“ＰＯＬＹＵＳ”  ＲＤＩ  ＳＥ  ＲＵ、１９９８年３月１２日、Н０１  Ｓ３／１９
【０００９】
技術的本質の観点から、例示的な複合半導体光増幅器が、ロシア国特許第２１３４００７号明細書、Ｖ．Ｉ．ＳＨＶＥＩＫＩＮ、“ＰＯＬＹＵＳ”  ＲＤＩ  ＳＥ  ＲＵ、１９９８年３月１２日、Н０１  Ｓ３／１９に提案されている。前記複合半導体光増幅器は、一体的に接続され、同一軸上に配置され、同一の半導体ヘテロ構造から構成されたマスタダイオードレーザ（以下「ＭＤＬ」と称する）と、半導体増幅素子（以下「ＳＡＥ」と称する）とを有する。前記ヘテロ構造は、少なくとも１層の活性層、少なくとも２層の閉じ込め層（従来は、２層の反射層）、放射を透過させる入出力領域、および光端面、オーミックコンタクトを有する。また、ＭＤＬは、ＭＤＬの動作時に電流が流れる活性領域、前記活性領域の横側面からの放射閉じ込め領域、光共振器、およびその反射材料を有する。ＳＡＥは、ＳＡＥの動作時に電流が流れる少なくとも１つの増幅領域を有し、出力光端面に反射防止コーティングが施されている。
【００１０】
動作中の増幅器において、活性層から漏出する増幅された放射の対応する入射角δは、放射を透過させる入出力領域と共にヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆと、前記入出力領域の屈折率ｎＩＯＲが、ｎｍｉｎを超えるｎＩＯＲに対して、ｎｅｆｆ／ｎＩＯＲ＜ｎｅｆｆπ／ｎＩＯＲにわたり、０＜の関係を満たすように選択され、ここで、ｎｅｆｆｍｉｎは、入出力領域と共に実用的な値の複数のヘテロ構造について可能な全ｎｅｆｆのうちのｎｅｆｆの最小値であり、ｎｍｉｎは、ヘテロ構造を構成する化合物半導体の屈折率の最小値である。
【００１１】
プロトタイプのＩＳＯＡの主な利点は、高出力パワーの一体的に接続された、提案されているＩＳＯＡの設計の独創性、出射領域の大口径化、およびこれに対応する放射の角度分布の低減である。提案されたこの設計の主な不都合は、その技術的な実現が複雑である点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
主な技術的効果は、一体化された形で効率的なレーザ光源を製造できる真の可能性を与える非透過型光共振器を有する独創的なダイオードレーザ（ＮＯＲ−ＤＬ）、すなわち、軸上に一体的に接続された２以上のダイオードレーザ（以下「複合ＤＬ（ＩＤＬ）」と称する）、ならびに、軸上に一体的に接続された半導体増幅素子を有するマスタダイオードレーザ（以下「複合半導体光増幅器（ＩＳＯＡ）」と称する）が提案されるという点にある。
【００１３】
本提案のＮＯＲ−ＤＬの技術的効果としては、発振しきい値電流密度の大幅な低減（２倍以上）、レーザ放射の能率およびパワーの向上、モード発生の安定性の改善、光共振器の非透過型反射材料の強度の大幅な向上（１桁またはそれ以上）、反射防止光端面を有する（活性層に対する）半導体広バンド幅の層を通る活性層を省略してのレーザ放射出力の実現、最適な側方閉じ込め領域の形成が挙げられ、広範囲の波長において、高出力、高効率、高信頼かつ長寿命の、レーザ放射の高速変調が可能な単一周波数、シングルモードおよびマルチモードレーザ放射光源を、その製造技術を簡略化し、生産コストの削減を測りつつ開発することが可能となる。
【００１４】
本提案のＩＤＬの技術的効果としては、発振しきい値電流密度の大幅な低減（２倍以上）、レーザ放射の能率およびパワーの向上、モード発生の安定性の改善、光共振器の非透過型反射材料の強度の大幅な向上（１桁またはそれ以上）、反射防止光端面を有する（活性層に対する）半導体広バンド幅の層を通る活性層を省略してのレーザ放射出力の実現、最適な側方閉じ込め領域の形成が挙げられ、広範囲の波長において、高出力、高効率、高信頼かつ長寿命の、レーザ放射の高速変調が可能な単一周波数、シングルモードおよびマルチモードレーザ放射光源を、その製造技術を簡略化し、生産コストの削減を測りつつ開発することが可能となる。
【００１５】
本提案のＩＳＯＡの技術的効果としては、発振しきい値電流密度の大幅な低減（２倍以上）、レーザ放射の能率およびパワーの向上、モード発生の安定性の改善、光共振器の非透過型反射材料の強度の大幅な向上（１桁またはそれ以上）、反射防止光端面を有する（活性層に対する）半導体広バンド幅の層を通る活性層を省略してのレーザ放射出力の実現、最適な側方閉じ込め領域の形成が挙げられ、広範囲の波長において、高出力、高効率、高信頼かつ長寿命の、レーザ放射の高速変調が可能な単一周波数、シングルモードおよびマルチモードレーザ放射光源を、その製造技術を簡略化し、生産コストの削減を測りつつ開発することが可能となる。
【００１６】
本発明の第１の態様は、化合物半導体を主成分とするヘテロ構造を有するダイオードレーザである。前記ヘテロ構造は、少なくとも１層の活性層と、少なくとも２層の閉じ込め層と、放射漏出領域と、を有し、前記漏出領域は、放射を透過させ、少なくとも漏出層を有し、前記漏出領域は、前記活性層と、対応する閉じ込め層との間、前記活性層の少なくとも一方の上に配置されている。前記ダイオードレーザは、前記ダイオードレーザの動作時に電流が流れる活性領域、光端面、反射材料、光共振器、オーミックコンタクトを有する。前記ヘテロ構造は、前記漏出層の屈折率ｎＩＮに対する前記ヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆの比によって更に特徴付けられる、すなわち、ｎＩＮに対するｎｅｆｆの前記比が１＋Δ〜１−γの範囲から決定され、Δおよびγは、１より遙かに小さい数によって決定され、γはΔより大きい。また、電流が流れる前記活性領域の両横側面から所定の距離に、放射閉じ込め領域が配置され、外部層から前記ヘテロ構造内に、前記ヘテロ構造の更に深くまで、少なくとも前記活性層まで延在している。光端面上の放射出力側に、レーザ放射反射係数が０に近い反射防止コーティングが施されており、放射出力の同じ側に、レーザ放射反射係数が１に近い光共振器反射材料が形成されており、前記反射材料は、前記活性層と、前記活性層の両側に存在する前記ヘテロ構造の半導体層とに隣接し、前記半導体層の合計膜厚は、少なくとも（λ／４ｎｅｆｆ）μｍ〜（４λ／ｎｅｆｆ）μｍの範囲にあり、λは、自由空間レーザ波長である。
【００１７】
新規な本提案のＮＯＲ−ＤＬの主な相違点は、非自明の光共振器および非自明のレーザ放射の出力の独創的かつ特有の本提案の組み合わせにある。励起しきい値の達成は、２つの高強度のミラーに対して、最大の高い反射係数を有する反射材料（非透過型光共振器）を両側に有する光共振器で行なわれる。活性層からの放射の出力は、反射防止（０．０１％未満）光端面を有するダイオードレーザの改変されたヘテロ構造の（活性層のエネルギーギャップ幅に対して）広バンド幅の漏出領域を通って行なわれる。上記の技術的効果を実現し、単一要素ＮＯＲ−ＤＬと、ＩＤＬ、ならびにＭＤＬおよびＳＡＥから構成されるＩＳＯＡという一体化した形で作製される上記の組み合わせとの両方を開発できる可能性を開くのが本提案である。
【００１８】
好ましい実施形態において、Δはゼロに近い傾向を有する。
【００１９】
これは、対応するヘテロ構造の選択を決定する。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記放射出力側に形成された前記反射材料は、前記ヘテロ構造の前記外部層から、ほぼ、前記ヘテロ構造の前記漏出層まで配置される。
【００２１】
ＮＯＲ−ＤＬからのレーザ放射の出力が一方向に行なわれる場合、反対側において、レーザ放射反射係数が１に近い前記光共振器反射材料の高さは、前記ヘテロ構造の膜厚に等しい。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記ヘテロ構造の膜厚全体にわたって、あるいは、反射コーティングの堆積後に残された前記ヘテロ構造の膜厚の一部において、光端面上に反射防止コーティングが施されている。
【００２３】
好ましい実施形態において、特定の方法で深く設けられる前記活性領域の側方閉じ込め領域は、前記ヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆ未満の屈折率を有する。この場合、前記閉じ込め領域は、前記活性領域の横側面から所定の距離（ミクロン単位）および前記ヘテロ構造の前記活性層の配置の下の所定の深さに存在し、極端な場合には、前記基板に最も近い前記ヘテロ構造の前記閉じ込め層に存在する。これにより、モード発生の安定性を向上させ、高い出力パワーでレーザ発振効率を向上させることが可能となる。
【００２４】
本発明で提案される非自明なＮＯＲ−ＤＬの本質は、光共振器の非自明かつ効率的な構造、および光共振器の外でのレーザ放射出力方法にある。この光共振器構造の特異な点は、その反射材料の両方が、レーザの活性層から発せられる放射を、実際上完全に反射させるという点にある。レーザ放射出力は、本提案のヘテロ構造の漏出層から主として達成され、反射防止光端面を有する広バンド幅の漏出領域を介して光共振器の非透過型反射材料を省略することができる。
【００２５】
本発明で提案されるＮＯＲ−ＤＬの技術的な実現は、現時点で適切に開発され、広範に使用されている既知の基本的な技術的なプロセスをベースにしている。本提案は、「産業の利用可能性」の基準を満たす。その製造における主な差異は、ヘテロ構造の特徴、およびＮＯＲ−ＤＬの光共振器にある。
【００２６】
本発明の別の態様は、化合物半導体を主成分とする同一のヘテロ構造から形成された、一体的に接続された複数のダイオードレーザ（以下「ＩＤＬ」と称する）の組み合わせである複合ダイオードレーザである。前記ヘテロ構造は、少なくとも１層の活性層と、少なくとも２層の閉じ込め層と、放射漏出領域と、を有し、前記漏出領域は、放射を透過させ、前記漏出領域は、少なくとも漏出層を有し、前記活性層と、対応する閉じ込め層との間、前記活性層の少なくとも一方の上に配置されている。前記ＩＤＬは、同一軸上に配置された、少なくとも２つの光共振器、前記ＩＤＬの動作時に電流が流れる少なくとも２つの活性領域、光端面、反射材料、およびオーミックコンタクトも有する。前記ヘテロ構造は、前記漏出層の屈折率ｎＩＮに対する前記ヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆの前記比によって特徴付けられる、すなわち、ｎＩＮに対するｎｅｆｆの前記比が１＋Δ〜１−γの範囲から決定され、Δおよびγは、１より遙かに小さい数によって決定され、γはΔより大きい。また、電流が流れる前記活性領域の両横側面に、電流が流れる前記活性領域の両横側面から所定の距離に、放射閉じ込め領域が配置され、外部層から前記ヘテロ構造内に、前記ヘテロ構造の更に深くまで、少なくとも前記活性層まで延在している。光端面上の放射出力側に、レーザ放射反射係数が０に近い反射防止コーティングが施されており、各光共振器は、レーザ放射反射係数が１に近い反射材料によって閉じ込められ、前記活性層と、前記活性層の両側に存在する前記ヘテロ構造の半導体層とに隣接し、前記半導体層の合計膜厚は、少なくとも（λ／４ｎｅｆｆ）μｍ〜（４λ／ｎｅｆｆ）μｍの範囲にあり、λは、自由空間レーザ波長である。
【００２７】
新規かつ非自明の本提案のＩＤＬの主な相違点は、２つの非透過型光共振器の新規かつ非自明の接続、およびその一体化された光接続のほか、非常に効率的な放射出力にある。励起しきい値は、両側の反射材料に、２つのミラーの最大の高い反射係数を有する光共振器で達成される。（集束光学部品を使用せず、実際上、無放射損失の）光共振器の効率的かつ最適の一体的接続は、本提案のヘテロ構造の漏出領域を通って主として行なわれる。ＩＤＬからの放射の出力は、反射防止コーティングが堆積された実際上完全な反射防止（０．０１％未満）光端面を有する広バンド幅の漏出領域を通って実現される。ＩＤＬのための上記の技術的効果を実現するという新規かつ非自明の可能性を開いたのは、本提案である。
【００２８】
ＩＤＬからのレーザ放射の出力が一方向に行なわれる場合、反対側において、レーザ放射反射係数が１に近い前記光共振器反射材料の高さは、前記ヘテロ構造の膜厚に等しい。
【００２９】
好ましい実施形態において、前記ヘテロ構造の膜厚全体にわたって、あるいは、反射コーティングの堆積後に残された前記ヘテロ構造の膜厚の一部において、光端面上に反射防止コーティングが施されている。
【００３０】
好ましい実施形態において、特定の方法で深く設けられる前記活性領域の側方閉じ込め領域は、前記ヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆ未満の屈折率を有する。この場合、前記放射閉じ込め領域は、前記活性領域の横側面からの所定の距離（ミクロン単位）および前記ヘテロ構造の前記活性層の配置の下の所定の深さに存在し、極端な場合には、前記基板に最も近い前記ヘテロ構造の前記閉じ込め層に存在する。これにより、モード発生の安定性を向上させ、高い出力パワーでＩＤＬのレーザ発振効率を向上させることが可能となる。
【００３１】
好ましい実施形態において、放射出力側で、少なくとも１つの活性領域の少なくとも一部が対応する角度で拡張可能にされ、放射出力側と反対側で、前記拡張可能な活性領域の長さの最初の部分は、前記活性領域の幅と等しい幅に形成されている。前記拡張可能な活性領域について、放射出力側の前記反射材料は、前記拡張可能な活性領域のぜんき最初の部分の幅とほぼ等しい幅を有する。
【００３２】
好ましい実施形態において、前記複合ダイオードレーザの少なくとも２つの活性領域は独立したオーミックコンタクトを有する。
【００３３】
本発明で提案される非自明なＩＤＬの本質は、ダイオードレーザ間の非自明かつ効率的な一体的接続、その光共振器の構造、および光共振器の外でのレーザ放射出力方法にある。光共振器構造の特異な点は、その反射材料の両方が、レーザの活性層から発せられる放射を、実際上完全に反射させ、レーザ放射出力が、本提案のヘテロ構造の漏出層から主として達成され、実際上完全な反射防止（０．０１％未満）光端面を介して光共振器の非透過型反射材料を省略することができるという点にある。
【００３４】
本発明で提案されるＩＤＬの技術的な実現は、現時点で適切に開発され、広範に使用されている既知の基本的な技術的なプロセスをベースにしている。本提案は、「産業の利用可能性」の基準を満たす。その製造における主な差異は、ヘテロ構造の特徴、およびダイオードレーザの光共振器にある。
【００３５】
本発明の別の態様は、一体的に接続され、同一軸上に配置され、同一の半導体ヘテロ構造から構成されたマスタダイオードレーザ（ＭＤＬ）と半導体増幅素子（ＳＡＥ）とを有する複合半導体光増幅器（以下「ＩＳＯＡ」と称する）である。前記ヘテロ構造は、少なくとも１層の活性層と、少なくとも２層の閉じ込め層と、放射を透過させる領域と、を有する。前記ＩＳＯＡは、光端面、オーミックコンタクトも有する。また、前記ＭＤＬは、前記ＭＤＬの動作時に電流が流れる活性領域、前記活性領域の横側面からの放射閉じ込め領域、光共振器、およびその反射材料を有し、前記ＳＡＥは、（前記ＳＡＥの動作時に電流が流れる）少なくとも１つの増幅領域を有し、前記出力光端面に反射防止コーティングが施されている。前記ヘテロ構造は、前記漏出層の屈折率ｎＩＮに対する前記ヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆの比によって更に特徴付けられる、すなわち、ｎＩＮに対するｎｅｆｆの前記比が１＋Δ〜１−γの範囲から決定され、Δおよびγは、１より遙かに小さい数によって決定され、γはΔより大きい。放射を透過させ、漏出領域である前記領域は、少なくとも漏出層を有する。前記漏出領域は、前記活性層と、対応する閉じ込め層との間、前記活性層の少なくとも一方の上に配置されている。また、前記活性領域の両横側面から所定の距離に、電流が流れるＭＤＬ放射閉じ込め領域が配置され、外部層から前記ヘテロ構造内に、前記ヘテロ構造の更に深くまで、少なくとも前記活性層まで延在している。前記ＭＤＬの前記光共振器は、レーザ放射反射係数が１に近い反射材料によって閉じ込められている。この場合、前記ＳＡＥの前記活性増幅領域と隣接する前記ＭＤＬ反射材料は、前記活性層と、前記活性層の両側に存在する前記ヘテロ構造の半導体層とに隣接され、前記半導体層の合計膜厚は、少なくとも（λ／４ｎｅｆｆ）μｍ〜（４λ／ｎｅｆｆ）μｍの範囲にあり、λは、自由空間レーザ波長であり、前記ＳＡＥの前記出力光端面上の前記反射防止コーティングは、０に近い反射係数にされている。
【００３６】
新規な本提案のＩＳＯＡの主な相違点は、前記ＭＤＬおよび前記ＳＡＥの非自明な一体的接続、ならびに前記ＭＤＬの特有の光共振器にある。ＭＤＬの励起しきい値は、その反射材料の両方が最大の高い反射係数を有する光共振器において達成される。
【００３７】
ＭＤＬとＳＡＥ間の一体的接続は、集束光学部品なしに行なわれ、本提案のＭＤＬおよびＳＡＥヘテロ構造の広バンド幅の漏出領域を介した放射が実際無損失である。ＩＳＯＡからの放射の出力は、ＳＡＥの反射防止（０．０１％未満）出力光端面を有する新規な本提案のヘテロ構造の漏出領域を通って行なわれる。ＩＳＯＡのための上記の技術的効果を実現するという新規かつ非自明の可能性を開いたのは、本提案である。
【００３８】
好ましい実施形態において、前記放射出力側と反対側において、レーザ放射反射係数が１に近い前記光共振器反射材料の高さは、前記ヘテロ構造の膜厚に等しい。
【００３９】
好ましい実施形態において、前記ヘテロ構造の膜厚全体にわたって、あるいは、反射コーティングの堆積後に残された前記ヘテロ構造の膜厚の一部において、光端面上に反射防止コーティングが施されている。
【００４０】
好ましい実施形態において、特定の方法で深く設けられる前記ＭＤＬの前記活性領域の側方閉じ込め領域は、前記ヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆ未満の屈折率を有する。この場合、前記閉じ込め領域は、前記活性領域の横側面からの所定の距離（ミクロン単位）および前記ヘテロ構造の前記活性層の配置の下の所定の深さに存在し、極端な場合には、前記基板に最も近い前記ヘテロ構造の前記閉じ込め層に存在する。これにより、モード発生の安定性を向上させ、高い出力パワーでＩＳＯＡのレーザ発振効率を向上させることが可能となる。
【００４１】
好ましい実施形態において、放射出力側で、前記ＳＡＥの少なくとも１つの増幅領域のの少なくとも一部が対応する角度で拡張可能にされ、放射出力側と反対側で、前記拡張可能な増幅領域の長さの最初の部分は、前記ＭＤＬの前記活性領域の幅と等しい幅に形成されている。
【００４２】
好ましい実施形態において、前記ＭＤＬの前記活性領域および前記ＳＡＥの前記増幅領域は、独立したオーミックコンタクトを有する。
【００４３】
本発明で提案される非自明なＩＳＯＡの本質は、前記ＭＤＬと前記ＳＡＥ間の非自明かつ効率的な一体的接続にある。
【００４４】
前記ＭＤＬの特異な点は、その反射材料の両方が、レーザの活性層から発せられる放射を、実際上完全に反射させるという点にある。
【００４５】
ＭＤＬからＳＡＥへのレーザ放射の出力は新規の本提案のヘテロ構造の漏出層から主として達成され、光共振器の非透過型反射材料を省略することができる。前記増幅された放射は、前記ＳＡＥの実際上完全な反射防止光学出力端面を通って出力され、前記端面は前記ヘテロ構造の広バンド幅の半導体層に隣接する。
【００４６】
本発明で提案されるＩＳＯＡの技術的な実現は、現時点で適切に開発され、広範に使用されている既知の基本的な技術的なプロセスをベースにしている。本提案は、「産業の利用可能性」の基準を満たす。その製造における主な差異は、ヘテロ構造の特徴、およびＭＤＬの光共振器にある。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】光共振器の非透過型反射材料を有し、反射防止コーティングが施された光端面を通ってヘテロ構造の漏出層からレーザ放射が出力される、本提案のダイオードレーザの長手方向の断面の模式図である。
【図２】長手方向の断面を図１に模式的に示した、光共振器の非透過型反射材料を有する本提案のダイオードレーザの上面の模式図である。
【図３】反射防止コーティングが施された出力端面が、ヘテロ構造の外面からヘテロ構造の基部に配置されているという点において、図１に模式的に示したダイオードレーザとは異なる、光共振器の非透過型反射材料を有する本提案のダイオードレーザの長手方向の断面の模式図である。
【図４】軸上に一体的に接続された２つのレーザの形の本提案の複合ダイオードレーザの長手方向の断面の模式図であり、前記複合ダイオードレーザにおいて、２つの光共振器が軸上に直列に配置されており、前記光共振器の反射材料は、高い反射係数を有し、電流が流れる２つの活性領域を含む。
【図５】長手方向の断面を図４に模式的に示した、複合ダイオードレーザの上面の模式図である。
【図６】長手方向の断面を図４に模式的に示した、複合ダイオードレーザの上面の模式図であり、前記複合ダイオードレーザにおいて、反射防止コーティングが施された出力光端面に隣接する活性領域の一部が拡張可能にされている。
【図７】ＭＤＬおよびＳＡＥを有する本提案のＩＳＯＡの上面の模式図であり、前記ＩＳＯＡにおいて、マスタダイオードレーザに隣接しているＳＡＥの増幅領域の一部が、マスタレーザのストライプ状の活性領域の幅にほぼ等しい幅を有し、反射防止コーティングが施された出力光端面に隣接するＳＡＥの増幅領域の一部が、拡張可能にされている。
【図８】マスタダイオードレーザが、軸上に反対方向に設けられた２つのＳＡＥと一体的に接続されているという点において、図７に模式的に示したＩＳＯＡと異なる、本提案のＩＳＯＡの上面の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
本発明を、図１〜８を参照して以下に詳細に説明する。
【００４９】
以下、本発明を、添付の図面を参照して具体的な実施形態の説明によって記載する。提示するダイオードレーザ、複合ダイオードレーザ、および複合半導体光増幅器の実施形態の例は、これらに限られず、既知の波長範囲、その特徴が請求項に記載の差異の概要（sum）に反映されるものを含め、他の実現の可能性を想定している。
【００５０】
非透過型光共振器を有する本提案のダイオードレーザ１（ＮＯＲ−ＤＬ）（図１〜２参照）は、ｎ型ＧａＡｓの基板２上に、ＩｎＧａＡｓの１層の活性層３を有するＩｎＡＩＧａＡｓ化合物をベースとするレーザヘテロ構造を含む。光共振器長は４ｍｍである。活性層３と（基板側の）閉じ込め層４との間に、漏出層５および調整層６を含む漏出領域が配置されている。活性層の反対側には、調節層７が隣接し、これに閉じ込め層８が隣接している。閉じ込め層８には、半導体コンタクト層９が隣接している。金属配線層は図に示されていない。実際、閉じ込め層４と８の間に配置される全ヘテロ構造層の組が、漏出層５の膜厚によって決定される著しく高い膜厚を有するＤＬの導波路領域を形成している。漏出層５の膜厚は、約２μｍ〜１０μｍ以上の大きさであってもよく、調節層６，７の膜厚は、約０．１μｍ〜１．０μｍであってもよいという特徴を有する。漏出層の屈折率ｎＩＮに対するヘテロ構造の実効屈折率ｎｅｆｆの比の値が決定的であるしている。０．１ｋＡ／ｃｍ２と１０ｋＡ／ｃｍ２の電流密度において算出したｎｅｆｆ／ｎＩＮは、それぞれ１．０００００１と０．９９９８５４であった。レーザ波長は、０．９７６μｍに等しくなるように選択され、活性層３の組成および膜厚によって決定された。放射出力側のレーザ１の光共振器の反射材料は、ヘテロ構造の外面上の対応するノッチをエッチングすることによって形成した。ノッチに形成された高さ約２μｍの光端面１０（前記光端面は、ヘテロ構造層６，３，７，８，９に隣接している）上に、９９％の反射係数Ｒ１を有する反射コーティング１１を堆積した。レーザ放射の出力のために、へき開光端面１２上に、０．０１％未満の反射係数Ｒ２を有する反射防止コーティング１３を堆積した。へき開光端面１４全面の放射出力側と反対側に、９９％の反射係数Ｒ１を有する反射コーティング１５を堆積した。電流が流れる活性領域１６は、１００μｍのストライプ幅を有するストライプ領域として形成される。電流が流れる活性領域１６の横側面から３μｍの間隔で設けられたストライプ溝として形成され、誘電体が充填されている閉じ込め領域１７によって、電流が流れる活性領域１６のレーザ放射の横方向の光の閉じ込めが行なわれる。誘電閉じ込め領域１７の底部は、ヘテロ構造の活性層３の下に存在する点に留意されたい。漏出層５の膜厚が８．０μｍに選択された場合、ＮＯＲ−ＤＬのこの実施形態のしきい値電流密度は１２０Ａ／ｃｍ２、マルチモードレーザ放射パワーは１５Ｗ、微分効率は８５％であった。垂直面における発散角は、７．０°、水平面では−４．０°であった。
【００５１】
以下に記載するダイオードレーザ１（ＮＯＲ−ＤＬ）の実施形態（図３参照）は、本実施形態においては、レーザ放射の出力のために、反射防止コーティング１３が堆積されているへき開端面１２が、ノッチの外の２５μｍの距離に設けられているという点で、上記の実施形態と異なる。このＮＯＲ−ＤＬ実施形態の各種パラメータは、前述の実施形態のパラメータと同様であった。
【００５２】
図１〜２に示した実施形態とは異なり、活性領域１６でのレーザ放射の横方向の光の閉じ込めが、その底部がヘテロ構造の活性層３より（例えば、０．２μｍだけ）上に存在する閉じ込め領域１７によって行なわれるダイオードレーザ１の実施形態が可能である点に留意すべきである。この実施形態の最大出力パワーは５Ｗを超えることはない。
【００５３】
本提案の一体的に接続されたＩＤＬ３０（図４〜５参照）は、レーザ放射が伝わる光軸に沿って、ＮＯＲ−ＤＬと同一のヘテロ構造に基づく一体的に接続された２つのダイオードレーザを含む。第１のダイオードレーザ３１は、非透過型反射材料３２，３３を有する長さ１．０ｍｍの光共振器と、幅１００μｍのストライプ状の活性領域３４とを有し、第２のダイオードレーザ３５は、非透過型反射材料３６，３７を有する長さ５．０ｍｍの光共振器と、幅１００μｍのストライプ状の活性領域３８とを有する。レーザ放射出力は、誘電コーティング４０が施された反射防止端面３９を通って行なわれる。ＩＤＬのこの実施形態のしきい値電流密度は、９０Ａ／ｃｍ２であり、レーザ出力パワーは２５Ｗに向上し、微分効率および発散角は上記の実施形態と同じであった。
【００５４】
以下に記載するＩＤＬ３０の実施形態は、本実施形態が、並列に配置された（２０の）ＩＤＬ３０の格子として形成されているという点において、上記の実施形態とは異なる。このような格子の出力パワーは５００Ｗである。
【００５５】
以下に記載するＩＤＬ３０の実施形態（図６参照）は、本実施形態においては、第１のダイオードレーザ３１の活性領域３４の幅が１０μｍであり、第２のダイオード（出力）レーザ３５の活性領域の構成が２つの部分から形成されるという点において、上記の実施形態とは異なる。その第１部分４１の活性領域（長さ１．０μｍ）の幅は１０μｍであり、第２部分４２の活性領域（長さ４.０μｍ）が、拡張角７°で拡張可能にされており、この結果、幅４９０μｍの出力レーザ放射アパーチャが形成される。この実施形態は、垂直面で８°、水平面で０．２０°の回折発散角を有するパワー５Ｗのシングルモードレーザ放射を発生させる。レーザ放射の微分効率は７５〜９０％内にある。
【００５６】
以下に記載するＩＤＬ３０の実施形態は、本実施形態が、１００Ｗの出力パワーを有する並列に配置された（２０の）ＩＤＬ３０の格子として形成されているという点において、図６に示した実施形態とは異なる。
【００５７】
本提案の一体的に接続されたＩＳＯＡ５０（図７を参照）は、レーザ放射が伝わる光軸に沿って、一体的に接続された、光共振器長が１．０ｍｍのマスタダイオードレーザ５１（ＭＤＬ）と、増幅領域長が５．０ｍｍの半導体増幅素子５２（ＳＡＥ）とを有する。ＭＤＬ５１は、非透過型反射材料５３，５４を有する長さ１．０ｍｍの光共振器と、幅１０μｍのストライプ状の活性領域５５とを有する。ＳＡＥは、２つの部分の増幅領域５６と５７を有する。増幅領域の第１部分５６は、ＭＤＬ５１の活性領域５５と同じ長さおよび幅で形成されている。長さ５．０ｍｍの増幅領域の第２部分５７は、拡張角７°で拡張可能にされており、この結果、幅６００μｍの出力レーザ放射アパーチャが形成される。増幅領域の出力光端面５８上に、反射係数が０．０１％未満の反射防止誘電コーティング５９が堆積されている。増幅領域の第１部分５６との境界のノッチ６０のプロファイルは、安定化要素の役割を果たす。提示されたＩＳＯＡにより、放射品質の高い最大１０Ｗのパワーのシングルモードレーザ放射を得ることが可能となる。発光発散の回折角は、垂直面で８°、水平面で０．１４°である。レーザ放射の微分効率は、８０〜９０％内にある。
【００５８】
以下に記載するＩＳＯＡ５０の実施形態（図８参照）は、本実施形態においては、１つのＭＤＬ５１の各側に１つのＳＡＥ５２が、軸上で反対方向に一体的に接続されているという点において、上記の実施形態とは異なる。このＩＳＯＡは、以前の実施形態のパラメータと同様の放射パラメータで、反対方向にそれぞれ放射する。
【００５９】
以下に記載するＩＳＯＡ５０の実施形態は、本実施形態が、３４０Ｗの総出力パワーを有する並列に配置された（１７の）ＩＳＯＡ５０の格子として形成されているという点において、図８に示した実施形態とは異なる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
レーザ放射の半導体源、ダイオードレーザ（ＤＬ）のほか、複合ダイオードレーザ（ＩＤＬ）、ならびに複合半導体光増幅器（ＩＳＯＡ）は、光ファイバ通信およびデータ伝送システム、光超高速コンピューティングおよびスイッチングシステム、レーザ工業用装置、医用装置の開発に使用されるほか、周波数倍増レーザ、ポンピングソリッドステートレーザ、ファイバレーザおよび増幅器の実現に使用される。
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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