(57)【要約】　　　（修正有）【課題】技術的に可能な限り簡単に製造することができる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。【解決手段】垂直放出部２と、該垂直放出部を光学的にポンピングするための少なくとも１つのポンプレーザ５を備え、該垂直放出部と該ポンプレーザはモノシリックに集積されている半導体レーザ装置において、動作時にはポンプレーザは第１の温度Ｔ１の放射放出領域６を有し、垂直放出部は第２の温度Ｔ２の放射放出領域３を有し、第１の温度Ｔ１を第２の温度Ｔ２よりも低くする。【選択図】図１
2004111976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　垂直放出部（２）と、該垂直放出部（２）を光学的にポンピングするための少なくとも１つのポンプレーザ（５）とを備え、該垂直放出部（２）と該ポンプレーザ（５）はモノリシックに集積されている、半導体レーザ装置において、
　動作時には前記ポンプレーザ（５）は第１の温度（Ｔ１）の放射放出領域（６）を有し、前記垂直放出部（２）は第２の温度（Ｔ２）の放射放出領域（３）を有し、前記第１の温度（Ｔ１）は前記第２の温度（Ｔ２）よりも低いことを特徴とする、半導体レーザ装置。
【請求項２】
　前記ポンプレーザ（５）及び前記垂直放出部（２）はエピタキシャルに共通の基板（１５）上に成長されている、請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
　前記ポンプレーザ（５）及び前記垂直放出部（２）は共通の支台（１）に取り付けられている、請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
　前記支台（１）と前記ポンプレーザ（５）の放射放出領域（６）との間の熱抵抗（Ｒｔｈ１）は、該支台（１）と前記垂直放出部（２）の放射放出領域（３）との間の熱抵抗（Ｒｔｈ２）よりも小さい、請求項３記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
　前記垂直放出部（２）及び前記ポンプレーザ（５）は、前記基板（１５）と前記支台（１）との間に配置されている、請求項３記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
　前記垂直放出部（２）の放射放出領域（３）と前記支台（１）との間には１つのミラー層または複数のミラー層（４）が配置されている、請求項３記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
　前記１つのミラー層ないし複数のミラー層（４）はブラッグミラーとして形成されている、請求項６記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
　前記ポンプレーザ（５）は活性領域（６）を包含する活性層（１６）を有し、前記垂直放出部（２）は活性領域（３）を包含する活性層（１３）を有し、該ポンプレーザ（５）の活性層（１６）と該垂直放出部（２）の活性層（１３）は同一の構造及び／又は同一の組成を有する、請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
　前記ポンプレーザ（５）の活性層（１６）及び／又は前記垂直放出部（２）の活性層（１３）は量子井戸構造として形成されている、請求項１または８記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
　前記ポンプレーザ（５）の活性層（１６）及び／又は前記垂直放出部（２）の活性層（１３）は共通してエピタキシャルステップで形成されている、請求項１または８記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
　前記ポンプレーザ（５）の放射放出領域（６）は、前記垂直放出部（２）の主放出方向に対して斜めまたは垂直方向に、該垂直放出部（２）の放射放出領域（３）に入射されるポンプ放射（９）を形成する、請求項１または８記載の半導体レーザ装置。
【請求項１２】
　前記ポンプレーザ（５）は縁部放出部として形成されている、請求項１または８記載の半導体レーザ装置。
【請求項１３】
　前記垂直放出部（２）は垂直に放射するレーザとして形成されている、請求項１または８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、垂直放出部と、この垂直放出部を光学的にポンピングするための少なくとも１つのポンプレーザとを備え、垂直放出部とポンプレーザはモノリシックに集積されている半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　このようなレーザ装置は例えば刊行物ＤＥ　１００　２６　７３４．３から公知である。これに関して刊行物ＤＥ　１００　２６　７３４．３及びＤＥ　１０２　４３　５４５．６の内容は、参照として本発明の説明に引用される。ここには光学的にポンピングされる量子井戸構造が記述されており、この量子井戸構造はポンプ放射源、例えばポンプレーザと共に共通の基板に配置されている。量子井戸構造及びポンプ放射源は異なる放射放出層を有し、これらの放射放出層はポンプ放射源から放出される放射の波長が、量子井戸構造によって発生される放射の波長よりも小さくなるように形成されている。この波長差は必要である。何故ならば、その他の場合においてポンプ波長と放出波長が等しい場合には量子井戸構造から生じる放射はポンプ放射と同じ様に量子井戸構造に吸収され、結果としてレーザ装置の効率は大きく低減することになるであろう。これによって量子井戸構造を用いて形成され垂直に放出されるレーザでは、例えば垂直に放出されるレーザの発振（Anschwingung）が妨害されることになるであろう。
【０００３】
　このような半導体レーザ装置を、例えば連続するエピタキシャルステップでエピタキシャル基板上に成長させることができる。先ず面全体に量子井戸構造が成長され、続けてこの量子井戸構造の部分領域が除去され、そのようにして露出されたエピタキシャル基板の領域にポンプ放射源が成長される。
【０００４】
　各エピタキシャルステップは製造時間もこれに付随してもたらされるコストも高めるので、可能な限り僅かなエピタキシャルステップで製造されることが望ましい。
【特許文献１】ＤＥ　１００　２６　７３４．３
【特許文献２】ＤＥ　１０２　４３　５４５．６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　本発明の課題は、技術的に可能な限り簡単に製造することができる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。例えば半導体レーザ装置では垂直放出部及び垂直放出部のためのポンプレーザを少なくとも部分的に共通のエピタキシャルステップで製造できる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
　この課題は、動作時にはポンプレーザは第１の温度Ｔ１の放射放出領域を有し、垂直放出部は第２の温度Ｔ２の放射放出領域を有し、第１の温度Ｔ１は第２の温度Ｔ２よりも低いことによって解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
　本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００８】
　本発明によれば、垂直放出部及びこの垂直放出部を光学的にポンピングするためのポンプレーザを備えた半導体レーザ装置が形成され、ポンプレーザ及び垂直放出部はモノリシックに集積されている。動作時にはポンプレーザは第１の温度の放射放出領域を有し、垂直放出部は第１の温度よりも高い第２の温度の放射放出領域を有する。
【０００９】
　温度分布が不均一である場合には、その都度放射放出領域の温度をその都度の放射放出領域の平均温度で代替することができる。
【００１０】
　択一的に、垂直放出部の放射放出領域の平均温度はポンプレーザの放射放出領域の最大温度よりも高いという条件を使用することができる。
【００１１】
　有利には放出波長の温度依存性に基づき、垂直放出部の放出波長は、放射放出領域がその他の同一の構造であってもポンプレーザの放出波長よりも大きいことが達成される。したがってポンプレーザ及び垂直放出部を、このポンプレーザ及び垂直放出部を別々の連続するエピタキシャルステップでもって製造することを必要せずに、共通して１つのエピタキシャル方法でもって製造することができる。
【００１２】
　本発明の有利な構成では、垂直放出部とポンプレーザが共通の支台、例えば熱シンクに配置されており、それぞれの放射放出領域と支台との間の熱抵抗についてはポンプレーザにおける熱抵抗は垂直放出部における熱抵抗よりも小さい。動作時には熱平衡状態が生じ、この際垂直放出部の放射放出領域の温度はポンプレーザの放射放出領域の温度よりも高い。したがって動作時には、ポンプ波長は垂直放出部の放出波長よりも小さいことが達成される。
【００１３】
　垂直放出部における熱抵抗をポンプレーザにおける熱抵抗に比べて高めることは、垂直放出部の放射放出領域と支台との間に、例えばブラッグミラーであるミラー層が配置されていることによって実現することができ、このミラー層は垂直放出部の共振ミラーを表す。このような層ないし層列はポンプレーザでは必要無い。何故ならば、この層ないし層列は有利には縁部放出部のように実施されており、ポンプ放射は実質的に垂直放出部のミラー層に平行に伝搬するからである。
【００１４】
　そのような配置では、ポンプレーザはミラー層の欠落に基づき垂直放出部よりもより良く熱的に支台と結合されている。したがってポンプレーザにおける放射放出領域と支台との間の熱抵抗は、垂直放出部における放射放出部と支台との間の熱抵抗よりも小さい。このことはポンプレーザの放出波長を、垂直放出部の放出波長に比べ所望のように低減することになる。
【００１５】
　有利には本発明では、垂直放出部の放射放出領域及びポンプレーザの放射放出領域はエピタキシャル方法でもって、共通のエピタキシャルステップで成長されている。この場合放射放出領域は同一の構造及び組成を有する。このことは、従来のモノリシックに集積された光学的にポンピングされる半導体レーザ装置であれば、ポンプレーザにおける放出波長と垂直放出部における放出波長が同一であり、冒頭で述べた欠点を伴うという結果になるであろう。
【００１６】
　本発明における放射放出領域の温度差に基づきこの欠点は回避され、ここで本発明による半導体レーザ装置は技術的に比較的簡単に有利には僅かな回数のエピタキシャルステップでもって製造することができる。
【００１７】
　さらに本発明では、順次成長させる構造においては必要であるポンプレーザと垂直放出部の層厚の繁雑な調節及び相互的な調整は省略され、したがって放射発生層はエピタキシャル基板にわたって同一の高さに横たわる。その他の場合には、ポンプ放射は垂直放出部の活性層に正確には入射されず、その結果半導体レーザ装置のポンプ効率は大幅に低減する。
【００１８】
　これに対して本発明では、動作時にポンプレーザの放射放出領域も垂直放出部の放射放出領域も形成される活性層を共通のエピタキシャルステップにおいて、さらにはそれどころか一貫した層として製造することができ、ポンプレーザのポンプ放射は最適に垂直放出部に入力結合される。
【００１９】
　本発明の別の特徴、長所及び有効性は、図面１から３と関連させた本発明の２つの実施例の以下の説明から生じる。
【実施例】
【００２０】
　同一の素子または同様に作用する素子には図では同一の参照符号が付されている。
【００２１】
　図１は、例えば熱シンクのような支台１上に配置されている、例えば材料系ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを基礎とする複数の半導体層を有する半導体レーザ装置を断面図で示したものである。半導体レーザ装置は、共通の基板１５にモノリシックに集積されている１つの垂直放出部２及び１つまたは複数のポンプレーザ５を包含する。有利には垂直放出部２及びポンプレーザ５は基板上にエピタキシャル成長されている。垂直放出部２から発生する放射１４の出力結合は基板１５を通過して行われる。
【００２２】
　垂直放出部２は有利には垂直に放出するレーザ、例えばＶＣＳＥＬ（垂直共振器型面発光レーザ、vertical cavity surface emitting laser）またはディスクレーザ（disc laser）として実施されている。方向を表している「垂直」及び「水平」は本発明では通常のように、基板表面ないし半導体層の層平面に関する。したがって垂直放出部は、基板表面ないし層平面に対して約９０°の角度を包含する主放射方向を有し、縁部放出部は主として水平方向に、すなわち基板平面ないし層平面に対して平行に放出する。
【００２３】
　垂直放出部２は活性層１３と、１つのブラッグミラーを形成する複数のミラー層４とを有する。ブラッグミラーと共に垂直放出部２のレーザ共振器を形成する、これに対応する第２のミラー（図示せず）を、半導体レーザ装置の一部としてまたは外部のミラーとして設けることができる。
【００２４】
　活性層１３は有利には量子井戸構造、例えばＳＱＷ（単一量子井戸）構造またはＭＱＷ（多重量子井戸）構造として形成されている。
【００２５】
　横方向において垂直放出部２の隣にはポンプレーザ５が配置されている。ポンプレーザ５の活性層１６は、垂直放出部２の活性層１３と同一に形成されている。ブラッグミラー４の代わりに、ポンプレーザ５はｐ型コンタクト層７でもって支台１に接している。垂直放出部２におけるようなブラッグミラーはここでは重要ではなく、何故ならばポンプレーザ５の放出は実質的に活性層１３、１６に平行方向に行われるからである。これに対してｐ型コンタクト層７は動作電流をポンプレーザ５に誘導するために使用され、光学的にポンピングされる垂直放出部２では必要ない。上部側ではポンプレーザ５の領域内にｎ型コンタクト層８がレーザ装置に配置されている。
【００２６】
　ブラッグミラーを例えば、異なるアルミニウム濃度を有するヒ化アルミニウムガリウムが交互に現れる層列として実施することができる。択一的にブラッグミラーをヒ化アルミニウムガリウムと酸化アルミニウムの層が交互に現れる層列として形成することができる。酸化アルミニウム層は有利には湿式熱酸化でもって製造される。隣接するミラー層の間の境界面においては屈折率コントラスト、また結果として、ブラッグミラー内における垂直放出部の放射フィールドの僅かな侵入深さ並びに僅かな吸収が達成される。
【００２７】
　垂直放出部２とポンプレーザ５との間にはトレンチ１０が形成されており、このトレンチ１０に適切な絶縁材料を充填することができる。ポンプレーザ５はトレンチ１０の領域に横方向における境界面１１を有し、この境界面１１は外側の横方向の境界面１２と共にポンプレーザ５のレーザミラーを形成する。択一的にこのトレンチ１０を省略することもでき、この場合には外側の境界面１２のみがポンプレーザ５のレーザミラーを形成し、垂直放出部２はポンプレーザ５のレーザ共振器内部に配置されている。
【００２８】
　垂直放出部２及びポンプレーザ５における放射発生層１３、１６の熱結合は、支台１と活性層１３との間と支台１と活性層１６との間の層構造が同じでないために異なる。例えば、ポンプレーザ５の放射発生層と支台１との間の熱抵抗Ｒｔｈ１は、垂直放出部２の放射発生層と支台１との間の熱抵抗Ｒｔｈ２よりも小さい。
【００２９】
　動作時にはポンプレーザ５の活性層１６には、垂直放出部２に対するポンプレーザ放射９が発生される放射放出領域６が生じる。ポンプ放射９は垂直放出部の活性層１３へと水平に入力結合される。これによって垂直放出部２の活性層１３には、垂直放出部２から放出される放射１４が生じる放射放出領域３が形成される。
【００３０】
　放射放出領域３、６内に生じる損失熱は半導体レーザ装置における水平方向に分配され、熱抵抗Ｒｔｈ１及びＲｔｈ２を介して熱シンク１に排出される。したがって動作時には熱平衡として、ポンプレーザ５の放射放出領域６の温度Ｔ１よりも高い、垂直放出部２の放射放出領域３の温度Ｔ２が生じる。
【００３１】
　結果として発光波長は、活性層１３、１６がその他の同一の構造であっても、温度Ｔ１、Ｔ２が異なるために垂直放出部２においてはポンプレーザ５と比べて増加するので、最終的には活性層１３、１６の構造が同一であるにもかかわらず、垂直放出部２を効果的にポンプレーザ５を用いてポンピングすることができる。
【００３２】
　図２ａ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を示す。ここでは明瞭にするために垂直放出部２の領域のみを示している。
【００３３】
　ポンプ放射９は前述の実施例と同様にポンプレーザ（図示せず）によって発生され、水平に垂直放出部２の活性層１３へと入射される。光学的にポンピングされる垂直放出部の放出１４は、ポンプ放射９の伝搬方向ないし垂直放出部２の活性層１３に対して垂直方向に行われる。
【００３４】
　半導体レーザ装置は熱シンクである支台１に取り付けられており、この熱シンクは垂直放出部２の領域に、放射を出力結合するための欠落部分を有する。前述の実施例との相違点は、半導体レーザ装置の熱シンク側とは反対側にブラッグミラー４が配置されていることであり、このブラッグミラー４の後方に基板１５が配置されている。
【００３５】
　図２ａに示した半導体レーザ装置では、垂直放出部が垂直に放出するレーザとして動作する。このレーザの共振器はブラッグミラー４及び外部ミラー１７によって形成され、この外部ミラー１７は熱シンクの半導体レーザ装置側とは反対側に配置されている。外部ミラー１７は有利には同時に出力結合ミラーとして使用される。
【００３６】
　外部ミラー１７及びブラッグミラー４によって制限されている共振器内に形成されている定在波フィールド１９は半導体レーザ装置の内部に概略的に描かれている。ここで共振器は、活性層の場所においてフィールド最大値が形成され、定在波フィールド１９と垂直放出部２の光学的にポンピングされる領域との高い結合が達成されるように設計されている。
【００３７】
　ポンプ放射のフィールドプロフィール２０が同様に概略的に示されている。フィールド最大値はここでは垂直放出部２の活性層１３に存在し、ポンプ放射９と垂直放出部２との良好な光学的結合が達成される。
【００３８】
　支台１内部の欠落部分によって、垂直放出部２の放射放出領域３に発生する熱が部分的に水平方向に排出され、これによって垂直放出部２の放射放出領域と支台１との間の熱抵抗はポンプレーザ（図示せず）の放射放出領域と支台１との間の熱抵抗と比べて効果的に高められる。
【００３９】
　図２ｂには、図２ａに示した構造の動作時に生じる温度プロフィールが示されている。垂直放出部の放射放出領域３の領域における支台１内部の欠落部分に基づき、垂直放出部の放射放出領域３の温度は周囲に比べて高められている。概略的に示した等温線２１の温度は放射放出領域３からの距離が離れるにつれ低くなる。
【００４０】
　図２ｃには、この結果得られる活性層１３に沿った、すなわち線Ａ−Ａに沿った温度プロフィールがプロットされている。放射放出領域３の中心ないし活性層１３の中央において温度最大値が生じ、温度は両方向で水平方向において低くなる。
【００４１】
　活性層１３に沿った所属のバンドギャップＥｇが図２ｄに示されている。温度が上昇するにつれバンドギャップは減少するので、バンドギャップは活性層１３の中心において最小値を有し、両方向で水平方向において、すなわち横方向に配置されているポンプレーザに向かって増加する。このことから、垂直放出部の放出波長はポンプレーザの放出波長よりも大きいという結果が生じる。
【００４２】
　図３には、本発明による半導体レーザ装置の利得スペクトルが示されている。２つの異なる温度Ｔ＝４０°及びＴ＝１５０°において、５ｎｍの厚さに圧縮され張られている量子井戸構造としてのＩｎＧａＰ量子フィルム及び約１０−１３ｃｍ−２のキャリア密度について算出された、増幅係数Ｇと放出波長λの関係がプロットされている。
【００４３】
　温度Ｔが上昇すると共に、この利得スペクトルの最大値はより高い波長の方向にシフトすることが示されている。放出波長は一般的に最大利得によって設定され、例えば利得スペクトルに応じて４０°では約６４５ｎｍであり、１５０°では約６６５ｎｍである。
【００４４】
　ポンプレーザの放射発生領域は４０°の温度を有し、垂直放出部の放射発生領域は１５０°の温度を有するものとする。この場合、ポンプレーザは垂直放出部を６４５ｎｍの波長でもってポンピングし、最適には垂直放出部の放射放出領域の完全な励起ないし完全な退色（Ausbleichung）が達成される。したがって、垂直放出部の放射放出領域におけるキャリア密度は、レーザが垂直に放出される場合にレーザ活性領域を表す放射放出領域がポンプ放射に対して透明となるように生じる。
【００４５】
　量子井戸構造としての前述のＩｎＧａＰ量子フィルムでは、１５０°におけるこの透明には約１０−１３ｃｍ−２のキャリア密度が相応する。図３から分かるように、このことから約６６５ｎｍの放出波長では約１０４の垂直放出部の利得が結果として生じる。
【００４６】
　本発明を実施例に基づき説明したが、勿論これに制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【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である。
【図２ａ】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である。
【図２ｂ】温度プロフィールが示されている本発明による半導体レーザ装置の第２の実施例の概略邸な断面図である。
【図２ｃ】活性層に沿った温度の経過である。
【図２ｄ】活性層に沿ったバンドギャップの経過である。
【図３】本発明による半導体レーザ装置に関する利得スペクトルである。
【符号の説明】
【００４８】
　１　支台、　２　垂直放出部、　３　放射放出領域、　４　ミラー層、　５　ポンプレーザ、　６　放射放出領域、　７　ｐ型コンタクト層、　８　ｎ型コンタクト層、　９　ポンプ放射、　１０　トレンチ、　１１　境界面、　１２　境界面、　１３　活性層、　１４　垂直放出部の放射、　１５　基板、　１６　活性層、　１７　外部ミラー、　１９　定在波フィールド、　２１　等温線
【図１】
2004111976.tif 000003
【図２ａ】
2004111976.tif 000004
【図２ｂ】
2004111976.tif 000005
【図２ｃ】
2004111976.tif 000006
【図２ｄ】
2004111976.tif 000007
【図３】
2004111976.tif 000008