(57)【要約】【課題】放射波長を安定させ、放射のスペクトル幅をコントロールする、改善された共振器内部フィルタを有する表面放出半導体レーザを提供すること【解決手段】レーザ共振器は干渉フィルタを含み、干渉フィルタは複数の誘電層から成る干渉層システムから構成されている、ことを特徴とする表面放出半導体レーザ。【選択図】図１
2005217428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面放出半導体レーザであって、
光学式または電気的にポンピングされたビーム（１２）を放射する半導体チップ（１）と、
第２の共振器鏡（６）を有しており、
前記半導体チップは第１の共振器鏡（３）を含み、
前記第２の共振器鏡（６）は、半導体チップ（１）の外部に配置されており、
前記第１の共振器鏡（３）および第２の共振器鏡（６）は、半導体チップ（１）から放出されたビーム（１２）に対するレーザ共振器を構成している形式のものにおいて、
前記レーザ共振器は干渉フィルタ（９, １７）を含み、
当該干渉フィルタは複数の誘電層から成る干渉層システムから構成されている、
ことを特徴とする表面放出半導体レーザ
【請求項２】
前記干渉フィルタは帯域フィルタ（９）である、請求項１記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項３】
前記レーザ共振器内に光学エレメント（８, １１, １３）が含まれており、当該光学エレメント上に帯域フィルタ（９）が設けられている、請求項２記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項４】
前記光学エレメントはレンズ（１３）である、請求項３記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項５】
前記光学エレメントは、ビーム（１２）を周波数変換する非線形光学結晶（８）である、請求項３記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項６】
前記帯域フィルタ（９）に対向している、光学エレメント（８, １１, １３）の表面に反射防止層（１０）が設けられている、
請求項３から５までのいずれか１項記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項７】
前記レーザ共振器はビーム（１２）の周波数変換を行う非線形光学結晶（８）を含み、
前記光学エレメントはビーム分配器（１９）であり、
当該ビーム分配器は帯域フィルタ（９）に対向する表面上に層（２０）を有しており、
当該層は周波数変換されたビーム（１８）に対して高い反射率を有しており、前記半導体チップから放射されたビーム（１２）に対して高い透過率を有している、請求項３記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項８】
前記帯域フィルタ（９）は、半導体チップ（１）の表面上に設けられており、これを通じてビーム（１２）が半導体チップ（１）から放出される、請求項２記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項９】
半導体チップ（１）の外部に配置されているポンピングビーム源（１５）からポンピングビーム（１６）が半導体チップ（１）内へ放射され、
帯域フィルタ（９）は前記レーザビーム（１２）の波長に対して第１の透過領域を有しており、
ポンピングビーム（１６）の波長に対して第２の透過領域を有している、請求項８記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項１０】
少なくとも１つのポンピングビーム源がモノリシックに前記半導体チップ（１）上に集積されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項１１】
前記帯域フィルタ（９）の透過率は、レーザビーム（１２）の波長の場合には９９．８％より大きい、請求項２から１０までのいずれか１項記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項１２】
前記干渉フィルタは反射性干渉フィルタ（１７）である、請求項１記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項１３】
前記第２の共振器鏡（６）は反射性干渉フィルタ（１７）として構成されている、請求項１２記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項１４】
前記反射性干渉フィルタ（１７）は、レーザビーム（１２）の波長領域において１０ｎｍを下回る帯域幅を有しており、
ここで反射率は、この領域における最大反射率の９９％より高い、請求項１２または１３記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項１５】
前記レーザ共振器は、第１の共振器鏡（３）と第２の共振器鏡（６）の間に屈折鏡（７）を含む、請求項１から１４までのいずれか１項記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項１６】
前記レーザビーム（１２）は前記屈折鏡（１７）を通じて取り出される、請求項１５記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項１７】
前記干渉フィルタ（１７）は屈折鏡（７）上に載置されている、請求項１２に関する、請求項１５または１６記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項１８】
前記ビーム（１２）の周波数変換を行う非線形光学結晶（８）がレーザ共振器内に含まれている、請求項１から１７までのいずれか１項記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項１９】
前記周波数変換は、周波数逓倍、殊に周波二倍化である、請求項５または７または１８記載の表面放出半導体レーザ。
【請求項２０】
前記レーザビーム（１２）の波長は、ビーム（１２）が干渉フィルタ（９）に入射する入射角を変えることによって調整される、請求項１から１９までのいずれか１項記載の表面放出半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独国特許出願第１０２００４０１１４５６. ０号および第１０２００４００４７７６. ６号の優先権を主張する。これらの特許出願の公開内容はここで引用される。
【０００２】
本発明は表面放出半導体レーザであって、光学式または電気的にポンピングされたビームを放射する半導体チップと、第２の共振器鏡を有しており、半導体チップは第１の共振器鏡を含み、第２の共振器鏡は、半導体チップの外部に配置されており、第１の共振器鏡および第２の共振器鏡は、半導体チップから放出されたビームに対するレーザ共振器を構成している形式の表面放出半導体レーザに関する。この種の表面放出半導体レーザは、概念「ディスクレーザ」、ＶＥＣＳＥＬ（Vertical External Cavity Surface Emitting Laser）またはＯＰＳＬ（Optically Pumped Semiconductor Laser）としても公知であり、例えば刊行物ＷＯ０１／９３３８６号およびＷＯ０３／０９４３１１号およびＵＳ６２４３４０７号に記載されている。ここでこれらの刊行物の内容は引用される。
【背景技術】
【０００３】
殊に赤外スペクトル領域で使用される表面放出半導体レーザは、ポンピング出力が高い場合に、波長領域において広範にスペクトル放出する。これは数ナノメートルの幅であり得る。従ってしばしば、放出波長の安定化および放射スペクトル幅のコントロールが必要とされる。これは特に、共振器内部で周波数が倍にされる場合である。
【０００４】
共振器の高いＱ値および広帯域放射に関して、色素レーザまたはチタンサファイアレーザはディスクレーザと比較可能なシステムである。これらのレーザでは、放射のスペクトル特性をコントロールするために、いわゆるエタロンおよび二重屈折フィルタが使用される。エタロンは、面平行小板での多重反射法則に基づいており、入射角を変えることによって、制限された領域に波長を調整することができる。このようなエタロンは、原則的にほぼ平行な放射特性を必要とする。
【０００５】
二重屈折フィルタによって波長および偏光に依存した損失が生じ、これによってレーザは有利な波長に安定される。これは殊に調整可能なレーザに適している。なぜならレーザの波長は、広い領域におけるフィルタの方位回転によって設定されるからである。しかもその他の共振器状態は影響を受けない。
【０００６】
エタロンも二重屈折フィルタも、比較的低損出の共振器内部波長選択には適している。しかしこれらはビームダイバージェンスが僅かな共振器設計を必要とし、入射角度ないしは方位角の高いアライメント精度を要求する。
【０００７】
ディスクレーザで波長選択のための二重屈折フィルタを使用することは、特許文献ＵＳ６１６７０６８号から公知である。この刊行物には、表面放出半導体レーザの共振器内部での波長変換も記載されている。
【特許文献１】独国特許出願１０２００４０１１４５６. ０号
【特許文献２】独国特許出願１０２００４００４７７６. ６号
【特許文献３】国際公開第０１／９３３８６号公報
【特許文献４】国際公開第０３／０９４３１１号公報
【特許文献５】米国特許第６２４３４０７号明細書
【特許文献６】米国特許第６１６７０６８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、放射波長を安定させ、放射のスペクトル幅をコントロールする、改善された共振器内部フィルタを有する表面放出半導体レーザを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題は、レーザ共振器は干渉フィルタを含み、干渉フィルタは複数の誘電層から成る干渉層システムから構成されている、ことを特徴とする表面放出半導体レーザによって解決される。本発明の有利な構成および発展形態は従属請求項に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次のような表面放出半導体レーザ、すなわち第１の共振器鏡を含む、光学式または電気的にポンピングされたビーム放射型半導体チップを有し、半導体チップ外に配置された第２の共振器鏡を有し、第１の共振器鏡および第２の共振器鏡が半導体チップから放射された放射線に対するレーザ共振器を構成する表面放出半導体レーザにおいて、本発明と相応してレーザ共振器内に干渉フィルタが含まれる。この干渉フィルタは、複数の誘電層から成る干渉層システムから構成されている。
【００１１】
レーザ放射の波長およびスペクトル幅は、設計および／またはレーザビームが干渉フィルタに入射する入射角度によって増幅スペクトル内で変化する。複数の誘電層から成る干渉層システムによって構成されている干渉フィルタは比較的抵コストで製造され、有利にはレーザ共振器内に存在するエレメント上に構成される。これによって製造コストおよびアライメントコストが低減される。僅かなビームダイバージェンスに対する必要性は、エタロンまたは二重屈折フィルタを使用した場合に比べて低くなる。
【００１２】
本発明が基づく考えは以下のようなものである。すなわち、表面放出半導体レーザの特定の特性、殊に約１０ｎｍ〜３０ｎｍの幅を有する他の調整可能なレーザシステムと比較して比較的狭帯域の増幅スペクトルおよび共振器内部損失への敏感な応答性は、この種のレーザにおいて誘電性干渉フィルタを使用するのを可能にするというものである。このような特性に基づいて、フィルタの設計時には、損失が少なくなることを優遇して、比較的狭い帯域および側方帯域抑圧は甘受される。これに対して現行の干渉誘電性干渉フィルタは、自身の特徴に基づいて、殊に格段に９９％を下回る典型的な最大透過率のために、高いＱ値を有するレーザ共振器ではこれまで使われてこなかった。
【００１３】
干渉フィルタは例えば帯域フィルタとして、すなわち透過フィルタとして構成可能である。この場合には干渉フィルタは有利には、レーザ共振器内に含まれている光学エレメント上に構成される。光学エレメントとは例えば、ビームの周波数変換を行うレンズまたは非線形光学結晶のことである。周波数変換は、周波数逓倍、ことに周波数を二倍にすることである。光学エレメント上に帯域フィルタが構成される場合、光学エレメントの対向する表面には有利には反射防止層が設けられ、有利にはこのエレメントの透過率が高められる。
【００１４】
レーザ共振器内に含まれている光学エレメント上に帯域フィルタを構成するのと択一的に、帯域フィルタを半導体チップの表面上に設けることもできる。この表面を通じてビームが半導体チップから放出される。
【００１５】
本発明のこのような実施形態では、表面放出半導体レーザはポンピングビーム源を有している。このポンピングビーム源は、半導体チップ外部に配置されている。ポンピングビームは半導体チップ内に入射する。ここで帯域フィルタはレーザビームの波長に対する第１の透過領域と、ポンピングビームの波長に対する第２の透過領域を有する。しかし表面放出半導体チップのポンピングビーム源をモノリシックに半導体チップ上に集積することも可能である。この場合には帯域フィルタがポンピングビームに対する透過領域を有する必要はない。
【００１６】
帯域フィルタの透過率はレーザビームの波長の場合には有利には９９．８％よりも高い。
【００１７】
本発明の別の実施形態では、干渉フィルタは反射性干渉フィルタである。これは、帯域フィルタの場合のような幅の狭い透過帯域に対して、高い反射性を有する狭い反射帯域を有している。レーザ共振器はこのような幅の狭い反射帯内でのみ高いＱ値を有するので、この反射帯域外のレーザビーム放出が阻止され、このようにして共振器内部の帯域フィルタと類似した効果が得られる。殊に、当業者には公知の干渉層システムの層設計方法によって生じる狭帯域鏡の反射帯域の幅を調整することによって、レーザの波長選択または波長安定化が実現される。
【００１８】
例えば第２の共振器鏡を反射性干渉フィルタとして構成することができる。この反射性干渉フィルタはレーザビームの波長の領域において有利には１０ｎｍを下回る帯域幅を有する。ここでの反射率は、この領域における最大反射率の９９％よりも高い。
【００１９】
レーザ共振器は第１の共振器鏡と第２の共振器鏡との間に例えば屈折鏡（Faltungsspiegel）を有している。この場合にはレーザビームは有利にはこの屈折鏡によって取り出される。
【００２０】
本発明の有利な実施例では屈折鏡は反射性干渉フィルタとして構成されている。
【００２１】
本発明による表面放出半導体レーザのレーザ共振器は、周波数変換のために、殊に周波数二倍化のような周波数逓倍のために非線形光学結晶を含む。これは有利には屈折鏡と第２の共振器鏡の間に配置されている。
【００２２】
レーザビームの波長は有利には、ビームが干渉フィルタに入射する入射角を変えることによって調整される。
【実施例】
【００２３】
本発明を以下で６つの実施例に基づき、図１〜図６を参照してより詳細に説明する。これらの図では同一のエレメント、または同じ作用を有するエレメントには同じ参照番号が付けられている。
【００２４】
図１に示された表面放出半導体レーザは本発明に相応して半導体チップ１を含む。この半導体チップは、アクティブゾーン４からビーム１２を放つ。アクティブゾーン４は、例えばＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｌＰまたはＩｎＡｌＧａＮまたはＩＩＩ−Ｖ−半導体化合物を含む。
【００２５】
さらに半導体チップ１は、第１の共振器鏡３を含む。ここでこれは例えばエピタキシャルによって半導体サブストレート２上に成長したブラッグ反射体のことである。例えばアクティブゾーン４の電気的な接触接続のために、半導体チップ１内に含まれている別の層は、図を分かりやすくするために示されていない。半導体チップ１の構成は、表面放出半導体チップに対して公知の特定の層シーケンスに制限されているのではなく、むしろ本発明の範囲内で任意に選択される。例えば、半導体チップ１内に、アクティブゾーン４をポンピングするポンピングレーザをモノリシックに集積してもよい。択一的にアクティブゾーンを半導体チップ１の外部のポンピングビームによってポンピングすることも可能であるし、電流注入によって電気的にポンピングすることも可能である。半導体チップ１は例えば支持体５上に取り付けられている。この支持体は殊にヒートシンクである。
【００２６】
半導体チップ１内に含まれている第１の共振器鏡３は、半導体チップ１の外部に配置された第２の共振器鏡６とともにレーザビーム１２に対するレーザ共振器を形成する。レーザ共振器はこの実施例においてさらに屈折鏡７を有する。ここで屈折鏡７と第２の共振器鏡との間に、レーザビーム１２の周波数変換を行う非線形光学結晶８が含まれている。非線形光学結晶８は、例えばレーザビームの周波数を二倍にする。殊に半導体チップ１は、赤外スペクトル領域で放出するアクティブゾーン４を含み、赤外線１２はこの非線形光学結晶８によって可視光または紫外光１８に変えられる。有利には周波数変換されたビーム１８は、屈折鏡７を通じて取り出される。この場合に屈折鏡７は、半導体チップから放出されたビームに対する高い反射率と、周波数変換されたビーム１８に対する高い透過率を有している。このようにして周波数変換されたビーム１８が半導体チップ１に再結合するのが阻止される。
【００２７】
レーザ共振器は、光学エレメント１１を有している。この光学エレメントは本実施例では薄い面平行の小板である。ここではこのような光学エレメント１１の表面上に帯域フィルタ９が被着されている。この帯域フィルタは、複数の誘電層を有する干渉層システムから成る。誘電性帯域フィルタ９によって、放射されたレーザビーム１２の波長およびスペクトル幅が安定する。レーザビーム１２の波長は、例えば入射角α（この角度でレーザビーム１２がフィルタ９に入射する）を変えることによって調整される。
【００２８】
帯域フィルタ９は層材料および層厚さおよび層シーケンスの選択に関して、当業者に公知の方法で設計される。当業者には殊に、帯域フィルタ９を構成する誘電層から成る層シーケンスの設計によって、透過率最大値のスペクトル位置および透過のスペクトル幅および最大透過率の値が影響されることが知られている。
【００２９】
共振器内部の損失を最小化するために、帯域フィルタ９に対向する、光学エレメント１１の表面には有利には反射防止層１０が設けられている。
【００３０】
帯域フィルタ９は、本発明の枠内では、レーザ共振器内に配置された任意の光学エレメント上に被着される。図２に示された実施例では、帯域フィルタ９はレンズ１３上に設けられている。レンズ１３の、帯域フィルタ９に対向する面には有利には、反射防止層１０が設けられる。さらに図２に示された実施例は、屈折鏡７が半導体チップ１の放出方向に対して４５°だけ傾けられており、直角に折り畳まれた共振器を構成しているという点で図１に示された実施例と異なる。
【００３１】
レーザ共振器内に帯域フィルタ９を設ける別の可能性が図３に示されている。この場合には帯域フィルタ９は、非線形光学結晶８の表面上に設けられる。この結晶はレーザビームの周波数変換のために使用される。帯域フィルタ９に対向している、非線形光学結晶８の面には有利には反射防止層１０が設けられている。この反射防止層は、レーザビームに対する反射も、周波数変換されたビームに対する反射も最小化する。
【００３２】
択一的に、図４に示されたように、帯域フィルタ９が、ビーム１２を放射する半導体チップ１の表面上に被着されてもよい。このような実施形態は殊に次の場合に有利である。すなわち帯域フィルタの載置に適した光学エレメントがレーザ共振器内に存在しない場合、またはこれを積層するのが困難な場合に有利である。例えば、誘電層から成る干渉層システムから構成された帯域フィルタ９はしばしば、光学エレメントの湾曲した表面上よりも、半導体チップ１の平らな表面上により容易に載置される。
【００３３】
本発明の図４に示された実施例では、半導体チップ１の外部に配置されたポンピングビーム源１５からのポンピングビーム１６が、半導体チップ１のアクティブゾーン４内に放射される。ポンピングビーム１６が半導体チップ１内に入り込むことを可能にするために、帯域フィルタ９はレーザビーム１２の波長の場合に対する第１の透過領域と、ポンピングビーム１６の波長の場合に対する第２の透過領域を有する。
【００３４】
図５に記載された本発明の実施例は非線形光学結晶８とビーム分配器１９を含む。ここでこの結晶は、半導体チップ１から放出されたビーム１２の周波数を変換する。ここでは半導体チップ１の方を向いている表面上に帯域フィルタ９が載置される。対向している、非線形光学結晶８の方を向いている表面上では、ビーム分配器１９に層２０が設けられる。この層２０は、周波数変換されたビーム１８に対して高い反射率を有しており、半導体チップ１から放射されたビーム１２に対して高い透過率を有している。このようにして、周波数変換されたビーム１８は、レーザ共振器から取り出される。またレーザの基本波長を伴うビーム１２は、共振器内を循環する。
【００３５】
本発明の図６に示された実施例では、干渉フィルタ１７が反射性干渉層システム１７として、第２の共振器鏡６上に設けられる。有利には、狭帯鏡１７の反射はレーザビームの波長領域において次のように狭帯域であり、１０ｎｍを下回る帯域幅においてのみ、この領域にける最大反射率の９９％よりも大きい。図６に示された本発明の実施例も次のような利点を有する。すなわち干渉フィルタ１７が、いずれにせよ既にレーザ共振器内に存在するコンポーネント上に載置されるという利点を有する。これによって有利には吸収損失が最小化される。この吸収損失は、付加的なエレメントをレーザ共振器内に持ち込むことによって波長選択を行う二重屈折フィルタの使用時またはエタロンの使用時に生じる。
【００３６】
さらに干渉フィルタは、図７に示された実施例のように、屈折鏡７上に設けられている反射性の干渉フィルタであってもよい。屈折鏡７は有利には４５°だけ半導体チップの放射方向に対して傾けられており、これによって直角に折り畳まれた共振器が構成される。図２に示された実施例のように、レーザビームは有利には屈折鏡７によってレーザ共振器から取り出される。レーザ共振器は有利には非線形光学結晶８を含む。これはレーザビームの周波数変換のために使用される。周波数変換されたビームを取り出すために、屈折鏡は有利には、周波数変換されたビームの波長の場合に高い透過率を有する。
【００３７】
それぞれ１つの折り畳まれた共振器およびレーザビームの周波数変換を行う非線形光学結晶を有する、実施例に示された表面放出半導体レーザは、有利には、制限を意味するものではない、本発明の別の形態である。当然ながら本発明は、屈折鏡を有していない共振器構造、または複数の屈折鏡を伴う複雑な共振器構造を有している表面放出半導体レーザにも使用可能である。同じように本発明は、示された実施例とは異なりビームの周波数変換が行われない表面放出半導体レーザにおいても有利である。
【００３８】
本発明は実施例に基づいた記載に制限されるものではない。本発明はむしろそれぞれ新たな特徴部分並びに特徴部分の各組合せを含む。これは殊に、このような特徴部分またはこのような組合せ自体が特許請求の範囲または実施例に記載されていない場合であっても、特許請求の範囲に記載された特徴部分の各組合せを含む。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施例に相応する表面放出半導体レーザの概略図。
【００４０】
【図２】本発明の第２の実施例に相応する表面放出半導体レーザの概略図。
【００４１】
【図３】本発明の第３の実施例に相応する、光学ポンピング式半導体レーザの概略図。
【００４２】
【図４】本発明の第４の実施例に相応する表面放出半導体レーザの概略図。
【００４３】
【図５】本発明の第５の実施例に相応する表面放出半導体レーザの概略図。
【００４４】
【図６】本発明の第６の実施例に相応する表面放出半導体レーザの概略図。
【００４５】
【図７】本発明の第７の実施例に相応する表面放出半導体レーザの概略図。
【符号の説明】
【００４６】
１  半導体チップ
２  半導体サブストレート
３  共振器鏡
４  アクティブゾーン
５  支持体
６  共振器鏡
７  屈折鏡
８  光学エレメント
９  干渉フィルタ、帯域フィルタ
１０  反射防止層
１１  光学エレメント
１２  ビーム
１３  光学エレメント
１５  ポンピングビーム源
１６  ポンピングビーム
１７  干渉フィルタ
１８  周波数変換されたビーム
１９  ビーム分配器
２０  層
【図１】
2005217428.tif 000003
【図２】
2005217428.tif 000004
【図３】
2005217428.tif 000005
【図４】
2005217428.tif 000006
【図５】
2005217428.tif 000007
【図６】
2005217428.tif 000008
【図７】
2005217428.tif 000009