(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１反射鏡（１８）と、
該第１反射鏡に対向した第１面（１２Ａ）と前記第１反射鏡に対して反対側を向いた第２面（１２Ｂ）とを有する半導体基板（１２）と、
前記半導体基板の前記第１面上に配設され、前記第１反射鏡とともに活性共振キャビティ（l）を構成する中間反射鏡（１４）と、
前記活性共振キャビティ内の前記中間反射鏡と前記第１反射鏡との間に配設されたドープされていない増幅媒体（１６）と、
前記基板の外側で前記第２面に隣接して、前記中間反射鏡と協働して前記基板を含む受動共振キャビティ（Ｌ）を構成する第２反射鏡（２８）と、
前記第１反射鏡に配設された、円形に電流を制限する開口（２２Ａ）を有するオキサイド層（２２）と、
前記オキサイド層に配設された金属導電性層（２０Ａ）を含み、電流を制限する開口を通して延びて前記第１反射鏡に熱的に接触するヒートシンク（２０）であって、前記金属導電性層（２０Ａ）が前記第１反射鏡上にディスク形状の電極（２０Ｂ）を形成するように前記円形に電流を制限する開口と協働し前記ドープされていない増幅媒体内に円柱状の第１増幅領域を規定する前記ヒートシンク（２０）と、
前記活性共振キャビティ内の前記基板の前記第２面に直接に配設され、前記円柱状の第１増幅領域から横方向に外側に延びる環状第２増幅領域の外径に対応する中央開口（２６Ａ）を規定する環状電極（２６）であって、前記ディスク形状の電極と前記環状電極とが前記第１反射鏡を通って、前記基板と前記中間反射鏡とを通って前記円柱状の第１増幅領域内に電気的エネルギーを伝送するように構成されている前記環状電極（２６）と、を具備し、
前記半導体基板と前記中間反射鏡とは、ｎ型のドーパントでドープされ、前記第１反射鏡は、ｐ型のドーパントでドープされ、
レーザ周波数を変換しうる非線形材料（３０）を前記受動共振キャビティ内に備えている垂直キャビティ面発光のレーザデバイス（１０）。
【請求項２】
前記中間反射鏡は、前記基板上に一体的に成長されたｎ型ブラッグミラーで構成され、
前記第１反射鏡は、前記ドープされていない増幅媒体上に一体的に成長されたｐ型ブラッグミラーで構成されている請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項３】
前記中間反射鏡の反射率が８５％〜９５％であり、
前記第１反射鏡の反射率が約９９．９％であり、
前記第２反射鏡の反射率が２０％〜８０％である請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項４】
前記基板の前記第２面が反射防止材料（２４）で塗布されている請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項５】
前記中間反射鏡が、反射率約８５〜９５％のｎ型ブラッグミラーで構成されている請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項６】
前記第２反射鏡が、反射率約２０〜８０％のｎ型ブラッグミラーで構成されている請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項７】
前記第２反射鏡が誘電ミラーで構成されている請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項８】
前記第１反射鏡が反射率約９９．９％のｐ型ブラッグミラーで構成されている請求項１記載のレーザデバイス。
【請求項９】
面発光連結キャビティ半導体レーザデバイス（１０）を製造する方法であって、
ｎ型ドーパントがドープされた半導体基板（１２）を用意する工程と、
該半導体基板の第１面（１２Ａ）上にｎ型ブラッグミラー（１４）をエピタキシャル成長させる工程と、
該ｎ型ブラッグミラー上にドープされていない増幅媒体（１６）をエピタキシャル成長させる工程と、
該ドープされていない増幅媒体上にｐ型ブラッグミラー（１８）をエピタキシャル成長させる工程と、
前記ｐ型ブラッグミラーの外側面上に円形に電流を制限する開口（２２Ａ）を有するオキサイド層を堆積させる工程と、
前記オキサイド層上に、前記ｐ型ブラッグミラーの前記外側面にディスク形状の電極（２０Ｂ）を形成するように前記円形に電流を制限する開口を通って延び、前記ドープされない増幅媒体内に円柱状の第１増幅領域（Ｄ１）を規定する金属導電性層（２０Ａ）を堆積させる工程と、
前記金属導電性層（２０Ａ）上に、前記ｐ型ブラッグミラーの前記外側面に熱的に接触するヒートシンク（２０）を配設する工程と、
前記基板の第２面（１２Ｂ）上に直接に、前記円柱状の第１増幅領域から横方向に外側に延びる環状第２増幅領域（Ｄ２）の外径に対応する中央開口（２６Ａ）を規定する環状電極を配設する工程であって、前記ディスク形状の電極と前記環状電極とが前記ｐ型ブラッグミラーを通って、前記基板と前記ｎ型ブラッグミラーを通って、前記円柱状の第１増幅領域内に電気的エネルギーを伝送するように構成されている前記環状電極（２６）を配設する工程と、
前記基板の前記第２面に隣接した出力ミラー（２８）を配設する工程と、
を含み、
前記ｎ型ブラッグミラー及びｐ型ブラッグミラーとで前記増幅媒体を含む活性共振キャビティ（ｌ）を構成し、
前記出力ミラーと前記ｎ型ブラッグミラーとで前記半導体レーザデバイスの受動共振キャビティ（Ｌ）を構成することを特徴とする面発光連結キャビティ半導体レーザデバイスを製造する方法。
【請求項１０】
さらに、前記中央開口内の前記第２面に、反射防止材料を塗布する工程を含む請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記出力ミラーを配設する工程は、
前記第２面をエッチングして予め決められた湾曲形状にする工程と、
該湾曲基板面に反射防止材料を塗布する工程と、
該湾曲基板面上に出力ミラーを直接、隣合せで一体的に配設する工程とを、さらに含む請求項９記載の方法。
【請求項１２】
単一基板の一部として直接、あるいは個々のレーザのサブ−アレイとして分離して結合された１次元又は２次元のアレイとして形成された請求項１記載のレーザデバイスを備えたレーザ。
【請求項１３】
さらに、前記受動共振キャビティ内に偏光子を備えた請求項１記載のレーザデバイスを備えたレーザ。
【請求項１４】
前記受動共振キャビティは、前記活性共振キャビティ内の前記増幅領域に追加の光のフィードバックを提供し、
前記中間反射鏡は、前記追加の光のフィードバックなしで前記活性共振キャビティ内でレーザ発振が起こらないようにする請求項１のレーザデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、概して電気光学デバイスに関し、特に面発光半導体レーザに関する。
【０００２】
（発明の背景）
従来の垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、一般的に、積層量子井戸増幅構造の両外側面上に形成された、２枚の平面共振キャビティミラーを備える。単一空間モード出力はかなり制限され、通常、数ミリワットである。このような従来のＶＣＳＥＬデバイスでも、より大きな発光面積を採用することによって、より大きな光パワーを得ることできる。しかし、このような大きな開口デバイスは、特に商業的な製造や用途には実用的でなく、多くの高次空間モードに渡って分散された出力となる。面発光デバイスからの単一モード出力を増加させるいくつかの提案がなされている。一つのアプローチとして、従来のＶＣＳＥＬデバイスの活性領域に隣接したミラーのひとつを曲率をもつ反射鏡によって置きかえ、これを活性領域から離して置き、優先的に基本空間モードを支持するようにするというものがある。このようなデバイス構造はＶＥＣＳＥＬ（垂直延長キャビティ面発光レーザ）と呼ばれる。
【０００３】
「外部キャビティ面発光レーザダイオードからの高単一横モード出力」Ｍ．Ａ．Ｈａｄｌｅｙ、Ｇ．Ｃ．Ｗｉｌｓｏｎ、Ｋ．Ｙ．Ｌａｕ、およびＪ．Ｓ．Ｓｍｉｔｈ著、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ、第６３巻、Ｎｏ．１２、１９９３年９月２０日、１６０７〜１６０９頁には、トリプルミラー、エピタキシャルｐ型底部ブラッグミラー、及び外部ｐ型基板に備えられたｎ型連結キャビティ中間ミラー上に成長させた、ドープされていない量子井戸増幅構造が記載されている。連結キャビティ中間ｎ型ミラーと出力カップラーとの間の媒体は空気である。活性増幅領域で発生した熱は全て、比較的厚いｐ型基板を通って逃がさなければならないので、このようなデバイスからの実際の出力は、パルス作動で約１００ｍＷ、連続（ｃｗ）作動では僅か数ｍＷに限定される。
【０００４】
「ファブリ−ペロエタロンによる垂直キャビティ面発光レーザにおける空間モードの角フィルター」Ｇｕｏｑｉａｎｇ  Ｃｈｅｎ、Ｊａｍｅｓ  Ｒ．Ｌｅｇｅｒ、およびＡｎａｎｄ  Ｇｏｐｉｎａｔｈ著、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７４巻、Ｎｏ．８、１９９９年２月２２日、１０６９〜１０７１頁には、ＶＣＳＥＬの低減底部ミラースタックとバックサイド誘電ミラーとの間に挟まれた、ＧａＡｓで造られた集積ファブリ−ペロエタロンによって、高次モードの角平面波のスペクトルを、空間フィルターによって取出す集積結合オシレータを形成することが記載されている。しかし、電極の構成は示されておらず、このデバイスをどのようにして電気的に作動させて高レベルの出力を生み出すのかは明らかでない。
【０００５】
本件発明者による本件出願人に譲渡されたＰＣＴ公報ＷＯ９８／４３３２９には、他の従来の垂直延長キャビティ面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）より実用的で製造しやすいうえ、単一最低次ＴＥＭ00空間モードに放出された出力を、他の公知のＶＥＣＳＥＬが達成できるレベルを越えた大きさにスケールアップすることを可能にした、電気的に励起されたＶＥＣＳＥＬデバイスが開示されている。
このデバイスでは、量子井戸増幅層が直接ｎ型基板の底面から成長しており、次いで通常の高反射ｐ型ＤＢＲミラーの成長がこれに続いている。
レーザキャビティは、ｎ型基板がレーザキャビティ内に物理的および光学的に配設されるように、反射防止膜をｎ型基板の上面に沈積させ、外部凹面鏡を基板より遠ざけ、かつ該鏡の光軸を基板の平面に対して垂直になるように配設することによって形成されている。このような内部基板構造は、構造的に一貫性があり、製造が容易である（特に前記外部ミラーを直接逆さまにした基板上に形成、あるいは配置する場合）ばかりでなく、他では達成できない大きな開口と高出力レベルのＴＥＭ00モードにおいて、効率的な電気的励起および作動を得るのに最適な電極配置を容易にする。
しかしながら、特に比較的厚い基板をレーザキャビティの内部にもつ電気的にポンピングされたデバイスにおいては、基板のドーピング（込み合うキャリアおよび電気抵抗は最小限にすることが望まれる）を増加することは、またレーザ波長での光損失を大きくし、結局、デバイスの効率がこれらの増加に応じて落ちている。
【０００６】
（発明の要約）
本発明の目的は、より高い出力レベルで１以上の所望する空間モードを造りだすことができ、かつ知られている従来のＶＣＳＥＬやＶＥＣＳＥＬが実行できる効率より大きなデバイス効率をもつ面発光連結キャビティ半導体レーザデバイスを提供することである。
【０００７】
本発明によれば、名目上１００％反射ブラッグミラーと一部反射する中間ブラッグミラーとの間に挟まれたドープされていない増幅領域が、サポート基板の底面に形成され、高出力連結キャビティ面発光ＶＥＣＳＥＬレーザデバイスの第１（「活性」）共振キャビティを構成する。底部ミラーは、最も効率よく熱を逃がすように、外部ヒートシンクに熱接触しているのが好ましい。中間ミラーの反射率は、該中間ミラーとＶＥＣＳＥＬ基板の上面に連続する外部ミラーとによって形成された第２受動共振キャビティからの光のフィードバックなしで、第１活性増幅領域内でレーザ発振が起こらない程度に低く保たれる。従って、基板は、完全に第１活性共振キャビティの外側にあり、中間ミラーと部分的に反射する出力ミラーとによって規定される第２（「受動」）共振キャビティ内にある。この第２受動共振キャビティは、直接、第１活性共振キャビティに光学連結されており、第１活性共振キャビティ内の増幅を効率的にレーザしきい値を越える値に増加させ、および／または第１活性共振キャビティ内でレーザ作用を起こすためのしきい値を減少するように設計されている。このようにして、デバイスの出力は、主として、第２受動共振キャビティからの光のフィードバックによって決定される。
基板は第２受動共振キャビティ内にのみ配設され、かつこの第２受動共振キャビティを形成する中間ミラーは、通常、数％の透過率しか持っていないので、第２キャビティ内の光レザーパワーは、第１活性共振キャビティ内を循環するレーザ強度のほんの小さな部分でしかない。同様に、基板は増幅領域内を循環する光強度エネルギーの数％しか受け取らず、故に、該基板を通る光強度エネルギーによって起こる如何なるロスあるいは他の望ましくない影響は、活性増幅領域として同じ共振キャビティ中に配設された同じ基板をもつものの数％である。
【０００８】
電気的に励起された連結キャビティＶＥＣＳＥＬ、電気的に励起された連結キャビティＶＣＳＥＬの好ましい実施の形態は、ｎ型半導体基板と、該基板の底面に成長した部分的に反射する中間反射鏡（好ましくはｎ型ブラッグミラー）とを利用するものである。前記中間層の下に、ドープされていない増幅媒体が成長あるいは配設され、該増幅媒体の下に底部反射鏡が成長あるいは配設され、これらによって、活性増幅領域をもつ第１活性共振キャビティが構成されている。底部反射鏡は反射率約１００％のｐ型ブラッグミラーが好ましく、これは外部ヒートシンクにハンダ付けあるいは他の方法で据えられ、熱接触しているのが好ましい。第２受動共振キャビティは、前記ｎ型基板の底面に成長した前記部分的に透過する中間キャビティミラーと、前記基板の上面の外側に配設された部分的に透過する出力ミラーとで構成されている。出力ミラーは、基板のｐ型ブラッグミラーとは反対側の上部に配設され、受動共振キャビティを構成する。この第２受動共振キャビティは、光フィードバックの空間および周波数特性をコントロールするように設計されており、これによって第１活性共振キャビティ内のレーザ発振をコントロールする。好ましい形状（曲率、反射率、中間反射鏡からの距離）に形成された外部出力ミラーが、空間フィルターとして効果的に働き、第２受動共振器内の共振放射を閉じ込めるように、レーザを単一基本モードに制限する。第１活性共振キャビティから出るレーザ出力モードは、全て第２受動共振キャビティからのフィードバックのモードによって決定されるので、デバイス全体の出力空間モードは、本質的に前記単一基本モードに限定される。
【０００９】
本発明のＶＥＣＳＥＬ構造は、活性増幅領域に到達するため、電流を外部電極にかけ、導電性基板を通過させなければならない場合に特に有利である。活性増幅領域が第１キャビティ内にあり、導電性基板が別の第２キャビティ内にあるので、基板は実質的により高いドーピングレベルを持つことができ、および／または実質的に他では達成できない低電気抵抗を伴う。電極の形状は前記した国際公報に記載されたものと同じようなものが好ましく、底部ミラーとヒートシンクとの間に形成されたオキサイド電流開口によって形成された、ディスク形状の底部電極と、基板の上面（ＡＲ膜の上あるいはその回り）に形成された環状上部電極とがあって、環状第２増幅領域によって囲まれた円柱状の電気励起された第１増幅領域を構成するものが好ましい。
【００１０】
本発明の方法によれば、第１活性増幅キャビティを基板の底部にエピタキシャル成長させる。基板の上面には反射防止膜が備えられ、第２受動共振キャビティおよび第１活性キャビティの両方で共振させ、レーザエネルギーのモードを所望のモードにコントロールするように形成された外部出力ミラーが備えられている。外部ミラーの好ましい形態は、基板から分離され、所望の基本モード出力を提供できるように形成されているものである。第２受動キャビティ内のロスを減少させる連結キャビティ形状の特によいところをもつ他の実施の形態として、基板が第２受動キャビティの全範囲を占め、該基板の上面に求められる上部電極と上部反射鏡とを析出させる前に、バイナリー光学レンズ技術で面を形成して造ったモノリシック完全一体型連結キャビティデバイスが挙げられる。
【００１１】
さらに非線形周波数変換材料を第２受動共振キャビティ内に配し、ＧａＡｓやＧａＩｎＡｓのような通常の半導体レーザ材料とともに、長い波長から、種々医療、材料加工あるいはディスプレイ等の用途に必要あるいは所望される短い波長に変換してもよい。その場合、種々の光学成分の反射率特性は、活性増幅領域に向かって帰還する変換されていない本来の波長のフィードバック、および出力ミラーを通ってすでに変換された高調波の出力を助長するように選択されるのが好ましい。
【００１２】
さらに他の実施の形態として、所望の極性化配向を選択的に助長する偏光素子を第２受動共振キャビティ内に配してもよい。該偏光素子は、第２受動共振キャビティ内で共振している光学エネルギーのアンチノードに配置された導電性ラインに平行する極性を吸収するように、該導電性ラインの２次元グリッドの形をし、反射防止層に隣接した基板の上面に形成されてもよい。
【００１３】
あるいは、飽和吸収体あるいは他の適切なモードロック手段を第２受動共振キャビティ内に配し、高ピーク出力パルスを提供してもよい。
【００１４】
さらに別の実施の形態として、第２受動共振キャビティが、単一モード光ファイバーの一端に焦点レンズ素子で一体化され、第２受動共振キャビティの上端を規定する反射鏡が、前記光ファイバーの反射率の縦方向変動をもつ分布ブラッグ反射鏡の形をしていてもよい。
【００１５】
異なったモードおよび／または周波数をもつ複数の連結キャビティ縦型延長キャビティ面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）デバイスが、１次元あるいは２次元アレイとして造られ、マルチモード光ファイバー伝達システムおよび／または映写装置のディスプレイ用３色光源を提供してもよい。あるいは、そのようなアレイの個々のデバイスをそれぞれの受動外部共振キャビティによってコーヒレントに操作して、他では達成できない程の高出力をもつコーヒレント単一モード出力を提供することもできる。このようなデバイスは、例えば、受動キャビティ内の空間フィルターを使って、アレイの全素子を同位相で強制的に発光させる。
【００１６】
本発明によって構成される連結キャビティデバイスの更なる利点は、出力レーザ波長が、活性キャビティのファブリ−ペロ共振周波数によって決められることである。前記波長は、９８０ｎｍ波長領域において作動されるＧａＩｎＡｓ型デバイスでは、１℃当たり約０．０７ｎｍの温度速度で同調し、第２受動キャビティ内で起こり得る共振に本質的に対応した不連続ジャンプにおいて、可変波長調整出力が要求される用途に便利な同調機構を提供する。
【００１７】
（発明の詳細な説明）
本発明の目的、特徴、利点を、図面を使用して更に詳しく説明する。なお、図面が違っても、同じ部分は同じ記号で表されている。図面は本発明の原理を説明するためのものであって、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１８】
以下説明する好ましい実施の形態においては、電気的励起およびｎ型ドープの基板を採用しているが、本発明では、他の光学あるいは電子ビーム励起も利用できる。また、第１活性共振キャビティの両端のブラッグミラーとしてｎ型材料も使用でき、１以上のエサキダイオードを第１活性共振キャビティ内の共振ノードに配してもよい。
【００１９】
本発明の連結キャビティＶＥＣＳＥＬ１０の好ましい一実施の形態を図１に示す。連結キャビティＶＥＣＳＥＬ１０はｎ型半導体基板１２を備える。本発明の基板１２は、製造工程での取扱いが容易なように十分な厚さがあり、電気抵抗を効率的な作動ができるような値にまで低減させるのに十分な量のｎ型ドーパントがドープされており、ほとんど均一なキャリアが高出力レベルで電流開口領域を通って拡散されており（従って、活性増幅領域では過剰のキャリアが詰め込まれることなく、均一にポンピングが実行される。）、しかも、後段で詳しく説明するように、光効率の対応損失がない。一実施の形態として、電流開口の直径が１００μｍ、基板中のｎ型ドーパントのドーピングレベルが約１×１０17ｃｍ-3〜５×１０17ｃｍ-3、基板の厚さが約５０μｍ〜３５０μｍのものが挙げられる。
【００２０】
中間反射鏡１４は、ｎ型基板１２の第１面（図では底部）に形成されている。中間反射鏡１４は、基板１２上にエピタキシャル成長させてもよいし、半導体業界で周知の種々の技術によって配設してもよい。一実施の形態として、中間鏡１４としては、シリコンやテルルのような、ｎ型ドーパントが濃度約２×１０18ｃｍ-3でドープされたＧａＡｓ／ＡｌＡｓ井戸が１２〜１５組ビルトアップされた、ｎ型ブラッグ反射鏡が挙げられる。当業界で周知のＭＯＣＶＤ成長法やＭＢＥ成長法で得ることができ、反射率約９５％のものを得る。反射率は０近くから９９％以上まで種々あるが、特定の用途に合わせて通常８０〜９８％の範囲が使用される。十分な増幅が第１共振キャビティ一内で起こることなく、第２受動共振キャビティからいかなるフィードバックもなく、刺激発光を造り出せるように、一般的に，反射率はできるだけ高くするべきである。しかし、非線形周波数ダブラー装置や他のモード調整素子を第２非共振キャビティ内に備える用途では、中間反射鏡１４の反射率を、受動キャビティ中に含まれる出力が効率的な周波数変換に適切であるのを保証するのに十分な値に減らすのが好ましい。
【００２１】
増幅領域１６は、中間反射鏡１４の下側の面（基板１２とは反対側の面）上に、エピタキシャル成長させられているか、配設させられている。増幅領域１６は、ＧａＩｎＡｓのような当業界でよく知られている複数量子井戸ＩＩＩ−ＩＶ化合物材料で造られる。一般的に、増幅領域１６中の量子井戸の数が増えるほど、ＶＥＣＳＥＬの単一パス刺激増幅の数は増える。しかし、ＧａＩｎＡｓ井戸を含む増幅領域１６内の歪補正のためには、製造中にクロスハッチや裂け目を生じる可能性のある過度の歪を避けるため、３個以上の量子井戸を必要とする。
【００２２】
ｐ型ブラッグミラー１８は、増幅領域１６の基板１２とは反対側の面にエピタキシャル成長させられるか、配設されている。ｐ型ブラッグミラー１８は、約９９．９％の反射率を持ち、亜鉛、炭素あるいはベリリウムのような、ｐ型ドーパントが濃度約２〜３×１０18ｃｍ-3でドープされたＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層の１／４波スタック約１８〜３０組で形成される。該ｐ型ブラッグミラー１８は当業界でよく知られているＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法を採用して、エピタキシャル成長させてもよい。あるいは別の実施の形態として、ｐ型ブラッグミラー１８は、狭い領域中において炭素の界面で濃度１×１０19ｃｍ-3で空間的にドープして、ｐ型ブラッグミラー１８内の１／４波界面で局部的なヘテロ構造接合の効果を減らすことによって、ｐ型ブラッグミラー１８の電気的インピーダンスを減らすこともできる。
【００２３】
中間反射鏡１４、増幅領域１６、および底部反射鏡１８によって、重要な波長（この波長は、第１活性共振キャビティおよび非線形周波数ダブラーがない時は第２受動共振キャビティのファブリ−ペロ共振数によって決められ、そのデバイスの出力波長になる）におけるキャビティ長さｌの活性キャビティが形成される。この波長は、ＧａＩｎＡｓ型デバイスで９８０ｎｍ波長領域で動作させると１℃毎に約０．０８ｎｍの温度速度で同調するので、ヒートシンク２０や他の適切な温度調整手段が取付けられ、比較的導電性のｐ型ブラッグミラー１８の底面と熱接触させる。好ましい実施の形態においては、ヒートシンク２０は、ベリリアあるいはダイアモンドで造られ、導電性電極２０Ａを含む。オキサイド開口を規定する層２２は、ｐ型ブラッグミラー１８とヒートシンク２０との間に位置するのが好ましく、通常、デバイスを動作するのに求められる励起電流Ｉが限定されて通る円形に電流を制限する開口２２Ａを有する。
【００２４】
ＧａＡｓウエハ１２の上面は、従来のＡＲ層２４で反射防止コートされているのが好ましいが、コートされないまま（名目上の反射率が３０％）でもよい。他の実施の形態として、ＶＣＳＥＬの効率を上げるため、基板１２の第１面に反射防止膜が塗布されていてもよい。例えば、コート基板１２は、本来の波長では反射せず、発光の第２高波長で高く反射する。
【００２５】
前述した本件発明者の国際公開公報で開示したものと同じような環状電極２６が、基板１２の上面に形成される。上部電極は、レーザビーム用円形開口をもつチップの上面全体をカバーできる。その中央開口２６Ａは、底部電極２２Ｂの有効径より実質的に大きくし、レーザモードの開口リングによるロスを効率的に除去するのが好ましい。特に、前記公報に（該公報の記載は全て本明細書の記載として取り込まれる）さらに詳しく記載されているように、底部電極２２Ｂの直径は、活性キャビティl内で電気的にポンピングしている領域Ｄ１に対応し、上部電極２６の内径は、領域Ｄ１から横方向外側に延びる、光学的にポンピングしている環状領域の外径Ｄ２に対応する。
【００２６】
図１に示すように、出力ミラー２８は、基板１２の外側に略平行に配設されるのが好ましい。出力ミラー２８は、約４０％〜８０％の反射率をもつ。外部出力ミラー２８は誘電ミラーであってもよい。
【００２７】
他の実施の形態として、非線形材料３０を、出力ミラー２８と中間ミラー１４との間の受動共振キャビティＬの内部に配設してもよい。非線形材料３０は基板１２の外側に配設しても、あるいは基板１２上に直接一体的に配設してもよい。非線形材料３０は、他の従来の方法で使用され、より高い周波数に実質的により透過されやすい出力ミラーのスペクトル共振に関して、共振エネルギーの実質的な位置をより高く（通常、第１高調波）変換する。好ましい非線形材料として、ＫＴＮ、ＫＮｂＯ3、あるいはＬｉＮｂＯ3が挙げられ、さらに、周期的に極性化されたＬｉＮｂＯ3のような周期的極性化合物も挙げられる。
【００２８】
該非線形材料３０によって効率的に非線形変換を行うためには、非線形材料３０内の発光強度が十分高くなければならないので、中間反射鏡１４の反射率は、活性キャビティｌの本来の周波数での出力には最適の反射率より低くし、活性領域１６の増幅は、それより高く（例えば、より多くの量子井戸を使用して）する。あるいは、両共振キャビティｌ、Ｌの面発光強度、つまりデバイスの周波数変換率を、キャビティラウンドトリップ周波数やその高調波に等しい繰り返し周波数で作動するデバイスのモードロック作動を造りだすＲＦドライブインジェクション電流によって上げることもできる。これは、ＣＷデバイスのそれの１００倍のピークパワーをもつ短い光パルスを生み出す。
【００２９】
非線形変換率を更に上げるために、中間反射鏡１４および／またはＡＲ膜２４の本来の周波数に対する透過率を、周波数がより高い高調波に対する透過率より実質的により高くすることによって、本来の周波数だけを選択的に活性キャビティlにフィードバックさせるのが好ましい。
【００３０】
別の実施の形態として、図２に示されるように、出力ミラー２８を基板２６上に直接形成してもよい。他の実施の形態として、出力ミラーは、前記した範囲の反射率をもつ誘電ミラーあるいはｎ型ブラッグミラーで造られていてもよい。該実施の形態のｎ型ブラッグ出力ミラー２としては、基板１２の第１面上に一体的に成長させたものである。出力ミラー２８の成長の前に、基板１２の第１面を従来の２次光エッチング技術によってエッチングし、適切な形をした表面としてもよい。あるいは、誘電ミラーを、凹面鏡出力カプラーを形成するエッチングされた表面上に析出させることもできる。
【００３１】
中間反射鏡１４を通って基板１２へ入る発光は中間反射鏡１４がない場合と比べると光損失がかなり少ないことがよくわかるはずである。ドーピング密度および基板１２の厚さが、普通、基板１２中のフリーのキャリアの吸収効果によるＶＣＳＥＬの光損失を左右する。前記したように、最高のデバイス性能を得るため、従来のＶＣＳＥＬでは、基板の厚さ、電気抵抗及び光損失の間に設計上の矛盾がある。普通、基板のドーピングレベルが高くなるかあるいは基板の厚さが厚くなると、ＶＣＳＥＬの光損失は大きくなる。従って、従来のＶＣＳＥＬの基板はインピーダンスを小さくするためにドーピングレベルを高く、光損失を少なくするために基板の厚さを薄くする傾向にあった。一方、本発明では、レーザしきい値に達する前の基板１２を通る発光の量を約５％に制限して、ＶＣＳＥＬ１０全体としての光損失を少なくしている。その結果、中間反射鏡１４を備えることによって、低インピーダンスを実現するために基板のドーピングレベルをさらに増やすことができ、および／またはＶＣＳＥＬ１０の製造過程でより取り扱いやすい、より厚い厚さの基板１２とすることができ、と同時にＶＣＳＥＬ１０全体としての効率は大きく増えている。本発明による基板１２の厚さは、概して、５０μｍ〜３５０μｍで、この厚さは、ＶＣＳＥＬの大量生産を容易に行えるようにする。さらに、付加的な利点として、基板１２の高いドーピング濃度は、非常に高い電流密度であっても、オキサイド開口２２で囲まれた開口領域にわたって略均一な拡散キャリア分布を生み出す。
【００３２】
本発明では、中間反射鏡１４とｐ型ブラッグミラー１８の反射率が高い（例えば９５％と９９．９％）ため、増幅領域１６で発生した発光エネルギーの多くが、増幅領域１６の内部に閉じ込められる。そしてその中で発光がレーザしきい値に達するまで共振する。基板は第２受動共振キャビティ内にのみ配される。代表的な中間ミラーは透過率がほんの数％なので、第２受動共振キャビティ内のエネルギーレベルは、第１キャビティ内のエネルギーレベルのほんの数％で、基板は増幅領域内を循環している光エネルギーのほんの少ししか受け取らない。従って、基板を通り抜ける光エネルギーによって起こるいかなる損失あるいは他の望ましくない効果は、活性増幅領域として同じ共振キャビティ内に配された同じ基板をもつもののほんの数％であり、デバイスの全体効率は１０〜２０倍に増加している。
【００３３】
従って、本発明による連結キャビティ設計は非常に高い発光電力を生み出すことができる。例えば、波長約９６０〜９８０ｎｍのＴＥＭ00モードで、拡散キャリア径７５〜２５０ｎｍ、中間反射鏡の反射率約９０〜９５％、出力ミラーの反射率２０〜９０％で、１ワットを越える電力を生み出す。しかし、最適出力電力は、普通、反射率４０〜６０％の出力ミラーと、例えば結晶成長過程で活性キャビティ長さlを注意深くコントロールして得た、所望の発光ピークに近い値に保たれた活性キャビティのファブリ−ペロ波長とを用いて達成される。この場合、基板の表面は反射防止コートが施される。
【００３４】
図４は望ましい偏光を選択的に取り上げる偏光素子３２を示す。前記したように、該素子は導電性ラインの２次グリッドを形成し、第２受動共振キャビティ内の光エネルギー共振する波腹に配され、前記ラインに平行する偏光を優先的に吸収する。典型的な形態として、反射防止層２４に隣接する基板１２の上面に形成されるのが好ましい。偏光素子３２は、第２（不活性）キャビティの内部にあるので、本発明にかかるデバイスは、取り上げられた偏光方向における高いロスを、単一キャビィティデバイスの場合に比べて、より容認することができる。
【００３５】
具体的には、パルスパワーモードで作動している１００ミクロン電流開口連結キャビティデバイスは、９６３ｎｍでサーキュラーＴＥＭ00モードを造りだし、フルパワーレベルまで本質的にキンクフリーの電流特性の出力を造りだしているのが観察されている（図３参照）。１アンペアを越えた付近の小さな変化は、電力供給におけるスケール変化に対応する。スロープ効率における変化は、増幅ピークを連結キャビティファブリ−ペロ波長からシフトする一時的な熱の発生によるものと考えられる。テストに使用したデバイスは、ヒートシンクをハンダ付けせず、また電流パルスを注入する間温度上昇があるのは経験されることだからである。加えて、テストデバイスの設計は、デバイスの側面側の刺激発光の存在を考慮していなかった。従って、もし先に引用した国際公報の技術を付け加えるならば、デバイスは、モード領域からエネルギーを導き、より高い電力レベルでより高い効率を示す（電力カーブはもっと直線状になる）はずである。
【００３６】
波長９８０ｎｍ範囲で作動するＧａＩｎＡｓ型デバイスでは、活性共振キャビティ１６内の主波長は、１℃当たり０．０７ｎｍの温度速度で同調するので、受動共振キャビティ内に存在しうる１以上の共振に対応する波長を要求するような用途には、温度を変化させること（例えば電流密度の選択的調整）によって都合のよい調整メカニズムを提供する。あるいは、小さなディザーを励起電流Ｉにかけ、いくつかの縦モードに渡る仕切り壁（電力を分担して）を強制的に造ることが望ましい場合もある。例えば、比較的長い受動キャビティＬを備えることによって、支持モードは２０ＧＨｚを越える開口となり、単一モード光ファイバ内の刺激されたブリイアン散乱を、電力を変化させ、従って活性増幅領域の温度を変化させることによって、実質的に減少させることができる。この場合、ディザーの周波数は実質的にＳＢＳ後進波が立ち上がる時間より速くするべきであり、より高いディザー周波数には、光ファイバ中でより高いレーザパワーレベルが要求される
【００３７】
より高い出力レベルは、本発明によって構成されたＶＥＣＳＥＬのアレイによって達成できる。１０ワットを越える電力レベルはこのようなアレイの技術によって達成することができる。
【００３８】
単一半導体基板１２上に製造された複数の前記ＶＥＣＳＥＬ素子１０を、通常の電気的あるいは光エネルギー源から平行に駆動し、互いにばらばらに発振させることによって、単一ＶＥＣＳＥＬデバイスからは得られない高出力が得られる。あるいは、次に駆動させるひとつの素子からの出力のいくつかあるいは全てに関し、個々のＶＥＣＳＥＬを連続的に光学的に駆動されてもよい。どちらの場合も、個々の連結キャビティレーザ素子のそれぞれが、先に説明した作動と実質的に同じ作動をする構造およびモードを備えることもできる。個々の素子から出る出力ビームは、全て同じ方向に効率的に進み、シングルレンズによって１つのポイントに集中させることができる。
【００３９】
また、アレイの全ての素子が他に対してコーヒレントに作動する前記連結キャビティＶＥＣＳＥＬのアレイを製造することも可能である。これは２つの方法で実現可能である。ひとつは、ＵＳＰ５，１３１，００２「一組の非連結キャビティ放射素子」（該公報に記載の内容はこの明細書にも含まれる）に記載されている方法と同様に、光素子の全てを連続して連結し、個々の素子から光レーザを加えるが、各素子は分離され、熱負荷を生む。もうひとつの方法は、アレイの全素子が互いにコーヒレントに発振する結果、互いが破壊的な邪魔となり、領域内の光を拒絶する空間フィルタによって、出力カプラーに集められた全素子からの光出力に関して、アレイの全素子を通常の単一外部キャビティによって他に対してコーヒレントに発振するようにする。このような破壊的な邪魔に基づく「空間フィルター」は、ＵＳ特許４，２４６，５４８（ラッツ、該公報の内容も本明細書に組み込まれる）に開示されている。しかしながら、ラッツの空間フィルターを連結キャビティＶＥＣＳＤＬに適用する時は、発光素子の全ての周波数を互いに接近させることが大切である。周波数はそれぞれ短い活性キャビティの長さによって規定され、一方、許容周波数のバンド幅は、ミラーの反射率の大きさに関係する。従って、アレイにまたがる温度変化は小さく調整しなければならない。また、ウエハの成長公差は、精度に対応したレベルを保つようにすることが大切である。しかし、これは今日のエピタキシャル成長技術ではそれほど難しいことではない。
【００４０】
今まで記載したのは本発明を説明するための特別の実施の形態であって、本発明の精神および／または範囲を逸脱しない範囲内で、当業者によってなされ得る種々の変更が本発明に含まれうる。特に、本発明によるＶＥＣＳＥＬは、高出力を生み出すことが可能であるが、そればかりでなく、レーザ動作のため活性増幅領域内に最適な電流密度を提供するために、増幅領域の有効直径と注入電流レベルとを適切に調整することによって、種々の低出力用途にも容易に適用することもできる。また、デバイスの種々の領域のディメンジョンおよびドーピングレベルは、種々の用途に応じて最適性能を達成するように変更しうる。中間反射鏡１４、p型ブラッグミラー１８、および出力ミラー２８もまた最適性能を達成するように調整される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  外部出力ミラーと、オプションとして基板と出力ミラーの間にモードコントロール領域とを備えた、本発明の縦型連結キャビティ高出力半導体レーザの縦方向断面図。
【図２】  基板の上面に直接形成された一体型出力ミラーが配された、本発明の別の実施の形態である縦型連結キャビティ高出力半導体レーザの縦方向断面図。
【図３】  電流の関数として好ましい形態におけるパルス出力を示した出力カーブのグラフ。
【図４】  モードコントロール領域内に配されてもよい偏光素子を示した図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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