(57)【要約】【課題】外部共振器、半導体基体ならびにブラッグ反射器を有する垂直放射形光ポンピンポンピング効率を改善すること。【解決手段】外部共振器（７）と半導体基体（１）とを有する垂直放射形半導体レーザであって、前記の半導体基体は、複数の量子層（３）および当該量子層の間にあるバリア層（４）を含む量子層構造（２）をアクティブゾーンとして有しており、また該半導体基体は、量子層構造（２）の一方の面にブラッグ反射器（５）を有しており、ポンピングビーム（１０）を量子層構造（２）に入射するポンピングビーム源（９）が設けられている形式の垂直放射形半導体レーザにおいて、前記のブラッグ反射器（５）は複数の層を含んでおり、ここで該層を互いに非周期的に配置して、ポンピングビーム（１０）の吸収が実質的に量子層構造（２）内で行われるようにしたことを特徴とする垂直放射形半導体レーザを構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部共振器（７）と半導体基体（１）とを有する垂直放射形半導体レーザであって、
前記の半導体基体は、複数の量子層（３）および当該量子層の間にあるバリア層（４）を含む量子層構造（２）をアクティブゾーンとして有しており、また該半導体基体は、量子層構造（２）の一方の面にブラッグ反射器（５）を有しており、
−  ポンピングビーム（１０）を量子層構造（２）に入射するポンピングビーム源（９）が設けられている形式の垂直放射形半導体レーザにおいて、
前記のブラッグ反射器（５）は複数の層を含んでおり、ここで該層を互いに非周期的に配置して、ポンピングビーム（１０）の吸収が実質的に量子層構造（２）内で行われるようにしたことを特徴とする
垂直放射形半導体レーザ。
【請求項２】
前記の量子層（３）におけるポンピングビーム（１０）の吸収は、バリア層（４）における吸収よりも大きい、
請求項１に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項３】
前記の半導体基体（１）内にポンピングビーム（１０）の定在波が発生し、該定在波の電場の腹は量子層（３）内にある、
請求項２に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項４】
前記のバリア層（４）におけるポンピングビーム（１０）の吸収は、量子層（３）における吸収よりも大きい、
請求項１に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項５】
前記の半導体基体（１）内にポンピングビーム（１０）の定在波が発生し、該定在波の電場の腹はバリア層（４）内にある、
請求項４に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項６】
前記の量子層構造（２）の量子層（３）は周期的に配置されている、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項７】
前記の量子層（３）は複数のグループに配置されており、
該グループ間の間隔は、１グループ内で隣り合う２つの量子層間の間隔よりも大きい、
請求項１から６までのいずれか1項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項８】
前記の半導体基体（１）は、ポンピングビーム源（９）側を向いた量子層構造（２）の面に前面層構造（１２）を有する、
請求項１から７までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項９】
前記の前面層構造（１２）は、誘電性および／または半導性の層を含む、
請求項８に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項１０】
前記の前面層構造（１２）の層は、互いに非周期的に配置されている、
請求項８または９に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項１１】
前記の前面層構造（１２）は、半導体基体（１）の内側から発生し量子構造（２）によって形成された垂直ビーム（８）よりも、半導体基体（１）の内側から発生したポンピングビーム（１０）を強く反射する、
請求項８から１０までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項１２】
前記の半導体基体（１）は、ポンピングビーム源（９）とは反対側を向いたブラッグ反射器（５）の面に背面反射器（１１）を有する、
請求項１から１１までのいずれか1項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項１３】
前記の背面反射器（１１）は、１つまたは複数の金属製および／または誘電性の層および／または別のブラッグ反射器を含む、
請求項１２に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項１４】
前記の外部共振器（７）を形成するため、外部ミラー（６）が設けられている、
請求項１から１３までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項１５】
少なくとも１つの外部ポンピングビームミラー（１４）が設けられており、
該ポンピングビームミラーにより、半導体基体（１）から出射したポンピングビーム（１０）が反射して半導体基体（１）に戻る、
請求項１から１２までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項１６】
前記のブラッグ反射器（５）の層厚を選択して、ポンピングビーム（１０）のあらかじめ定めた入射角αpおよびあらかじめ定めたλpに対して、ポンピングビームが実質的に量子層（３）内で吸収されるようにした、
請求項１から１５までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項１７】
前記のブラッグ反射器（５）の層の配置構成を選択して、ポンピングビーム（１０）のあらかじめ定めた入射角αpにて、あらかじめ定めた波長λpを中心とした波長範囲λp±Δλのうちの１波長のポンピングビーム（１０）に対して、ポンピングビーム（１０）の吸収が実質的に量子層（３）内で行われるようにした、
請求項１６に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項１８】
ブラッグ反射器の層の配置構成を選択して、ポンピングビーム（１０）のあらかじめ定めた入射角αpを中心とした角度範囲αp±Δα内で、あらかじめ定めた波長λpのポンピングビーム（１０）に対して、ポンピングビーム（１０）の吸収が実質的に量子層（３）内で行われるようにした、
請求項１６または１７に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項１９】
前記のブラッグ反射器の層の配置構成を選択して、ポンピングビーム（１）のあらかじめ定めた入射角αpを中心とした角度範囲αp±Δα内で、あらかじめ定めた波長λpを中心とした波長範囲λp±Δλのうちの波長のポンピングビーム（１０）に対して、ポンピングビーム（１０）の吸収が実質的に量子層（３）内で行われるようにした、
請求項１６から１８までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項２０】
前記のポンピングビーム（１０）のあらかじめ定めた入射角αpは０°〜８０°であり、殊に０°〜６０°である、
請求項１６から１９までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項２１】
前記の波長範囲λp±Δλの半幅Δλは、少なくとも５nmである、
請求項１７または１９に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項２２】
前記の角度範囲αp±Δαの半幅Δαは、少なくとも５°である、
請求項１８または１９に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項２３】
前記のポンピングビーム（１０）の光子エネルギーと、量子層構造（２）によって形成される垂直ビーム（８）との間のエネルギー差は、量子層（３）の縦方向の光学フォノンのエネルギーの整数倍に等しい、
請求項１から２２までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項２４】
殊に量子層構造（２）内には半導体材料InxAlyGa1-x-yAs，InxAlyGa1-x-yN，InxAlyGa1-x-yP，InxGa1-xAsyN1-yまたはZnxSeyのうちの少なくとも１つが含まれており、ここで０≦ｘ≦1，０≦ｙ≦1，０≦ｘ＋ｙ≦1である、
請求項１から２３までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項２５】
エピタキシャル半導体層列を有する、
請求項１から２４までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項２６】
成長基板からはがしたエピタキシャル半導体層列を有する、
請求項２５に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項２７】
前記のポンピングビーム源（９）側とは反対側を向いた半導体基体（１）の面に有利には熱排出器が配置されている、
請求項１から２６までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【請求項２８】
前記の量子層（３）は、量子箱、量子細線、量子点またはこれらの構造の組み合わせで構成されている、
請求項１から２６までのいずれか１項に記載の垂直放射形半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部共振器、半導体基体ならびにブラッグ反射器を有する垂直放射形光ポンピング半導体レーザに関する。上記の半導体基体には、量子層およびその間に設けられているバリア層を含む量子層構造がアクティブゾーンとして設けられている。
【背景技術】
【０００２】
本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第10335080.2号の優先権を主張するものであり、その開示内容は参照により本願に含まれるものとする。
【０００３】
VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser)とも称される、外部共振器を有する垂直放射形半導体レーザを用いれば、良好なビーム品質と同時に大きな出力を実現することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、改善されたポンピング効率を有する冒頭に述べた形式の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】
【０００５】
上記の課題は、請求項１により、外部共振器と半導体基体とを有する垂直放射形半導体レーザによって解決され、ここでこの半導体基体は、複数の量子層およびこれらの間に設けられているバリア層を含む量子層構造をアクティブゾーンとして有している。またこの半導体基体は、上記の量子層構造の一方の面にブラッグ反射器を有している。ここではポンピングビーム源が設けられており、これによってポンピングビームが上記の量子層構造に入射される。上記の半導体レーザの特徴は、上記のブラッグ反射器がつぎのような複数の層を含んでいることである。すなわち、非周期的に互いに配置されることによってポンピングビームの吸収が実質的に量子層構造内で行われるにした複数の層を有することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
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。
【０００７】
本発明の枠内で量子層とは、ビーム形成に重要な電荷担体エネルギーレベルの量子化が、例えば、閉じ込め（confinement）によって行われるように設計または構造化されている層のことである。殊に量子層という表現には量子化についての次元に関する規定は含まれていない。したがって量子層には例えば、量子箱、量子細線、量子点およびこれらの構造の各組み合わせが含まれているのである。
【０００８】
典型的な量子層構造は、複数の量子層およびバリア層を有しており、ここでこれらの量子層は一般的にバリア層よりも格段に薄く、また少なくとも１つのバリア層が隣り合う２つの量子層の間にそれぞれ配置されている。このような構造はＲＰＧ（Resonant Periodic Gain）構造と称される。本発明の枠内において以下、隣り合う量子層の間隔が一定である構造も、隣り合う量子層の間隔が変わる構造も共に構造であるとする。さらに別の層を設けて、例えば量子層とバリア層との間に中間層を設けて、例えば階段状のエネルギー変化が発生するようにすることも可能である。ここでバリア層とはそれぞれ、量子化を行う構造（量子箱、量子細線など）外で量子層構造の最大エネルギー、すなわちエネルギー範囲を決定する層のことである。
【０００９】
ブラッグ反射器を非周期的に実施することにより、半導体基体において、ポンピング効率を向上させながら、ポンピングビームのスペクトル的に広い共鳴吸収を得ることができる。さらにポンピングビームの入射角に対する許容幅を大きくすることができる。
【００１０】
上記の非周期的なブラッグ反射器の有利な層配置構成は、例えば、層における多重反射および干渉を考慮して、半導体基体の吸収スペクトルを計算することによって探し出される。例えば半導体基体内のすべての層の組成、間隔および厚さなどの半導体基体のパラメタに依存して、上記の吸収スペクトルは、所定の入射角ないしは入射角範囲において、１つまたは複数のスペクトル的に幅の広い吸収線を有する。
【００１１】
さらに、有利な層配置構成を探し出すため、複数のスペクトルを計算することができ、ここでこれらのスペクトルにおいて、ポンピングビームの入射に起因したアクティブゾーンにおける励起放射による増幅が考慮される（増幅反射  verstaerkte Reflextion）。
【００１２】
垂直ビームに対し、所望の波長において可能な限り大きな増幅反射と、所望のポンピングビーム波長においてスペクトル的に可能な限り幅の広い吸収線とを得るという目標を設定して、半導体基体のパラメタ、例えば、非周期的なブラッグ反射器の層厚および／または層間隔を最適化すると、ポンピング効率の高い半導体レーザが得られる。
【００１３】
有利な実施形態において、量子層におけるポンピングビームの吸収はバリア層における吸収よりも大きいか、またはバリア層におけるポンピングビームの吸収は量子層における吸収よりも大きいかのいずれかである。殊に有利には半導体基体内にポンピングビームの定在波が発生し、ここでこの定在波の電場の腹は量子層内ないしはバリア層内にある。
【００１４】
光ポンピングについては相補的な２つのポンピングメカニズムが区別されるが、ここではいずれの場合も出発点は、複数の量子層と、これらの層の間に配置されたバリア層とを有する１量子層構造である。
【００１５】
第1のポンピングメカニズムでは、例えば、垂直ビームフィールド（Vertikalstrahlungsfeld）における波長に対して有利なポンピング波長を選択することにより、垂直放射形半導体レーザを設計して、このポンピングビームが量子層間に配置されるバリア層で吸収されるようにする（バリア層ポンピング）。このようにポンピングビームが吸収されるよって電子−ホール対が形成され、これらの対はその後、エネルギー的に一層低い量子層状態をとるため、量子層における反転分布が発生する。この反転分布を用いて垂直ビームを生成するのである。
【００１６】
これに対して第2のポンピングメカニズムでは垂直放射形半導体レーザを設計して、ポンピングビームが量子層において直接吸収され、そこで直接反転分布が形成されるようにする（量子層ポンピング）。
【００１７】
したがって本発明の枠内では、量子層ポンピングもバリア層ポンピングも共に使用することが可能である。
【００１８】
有利には上記の量子層構造の量子層は周期的に配置される。殊に有利には上記の量子層（３）は複数のグループに配置される。ここでこれらのグループ間の間隔は、１グループ内で隣り合う２つの量子層間の間隔よりも大きい。これにより、半導体基体において形成されるポンピングビームの定在波フィールドを効率的にポンピングに利用することができる。
【００１９】
本発明の有利な１実施形態において、半導体基体は、ポンピングビーム源側を向いた量子層構造の面に前面層構造を有している。この前面層構造は、別の実施形態において誘電性および／または半導性の複数の層を含んでいる。またこれらの層は、別の有利な実施形態において互いに非周期的に配置されている。この前面層構造により、定在波フィールドの形成が促進される。
【００２０】
有利には、上記の前面層構造は、半導体基体の内側から発生し量子層構造によって形成される垂直ビームよりも、半導体基体の内側から発生したポンピングビームを一層強く反射する。これにより、ポンピングビームの定在波フィールドの形成がさらに促進される。
【００２１】
本発明の別の有利な実施形態において、半導体基体は、ポンピングビーム源とは反対側のブラック反射器の面に背面反射器を有する。これによって同様にポンピングビームの定在波フィールドの形成が促進され、またポンピングビームが、少なくともアクティブゾーンを少なくとも２回通過するようになる。この背面反射器には、殊に有利には金属製の層が含まれる。金属製の層は、反射率が高く、波長依存性が低くい点で優れており、またこれに加えて熱伝導率が高い。またこの背面反射器には誘電層および／または別のブラック反射器が含まれている。
【００２２】
有利には、ポンピングビーム源とは反対側の半導体基体の面に熱排出器が、有利には金属製の熱排出器が配置されている。これによって殊に背面反射器である金属製の層と共に半導体基体の良好な熱放出を行うことができる。
【００２３】
本発明の垂直放射形半導体レーザは有利には、エピタキシャル半導体層列を有しており、また殊に有利には成長基板からはがしたエピタキシャル半導体層列を有する。この場合に有利には上記の熱排出器を支持部としても使用することができる。
【００２４】
さらに、半導体基体から出射したポンピングビームを半導体基体に反射して戻す１つまたは複数の外部ポンピングビームミラーを設けることができる。これによって有利にもアクティブゾーンを通して複数回ポンピングビームを通過させることができる。
【００２５】
本発明の有利な別の実施形態においてブラッグ反射器の層の配置構成を選択して、実質的に量子層内で、あらかじめ定めた波長λpに対してまたは殊に有利にはあらかじめ定めた波長λpを中心とした波長範囲λp±Δλのうちの１波長に対して、またポンピングビームのあらかじめ定めた入射角αpに対してまたは殊に有利にはあらかじめ定めた入射角αpを中心とした角度範囲αp±Δαのうちの１角度に対してポンピングビームの吸収が行われるようにする。これによって量子欠損（Quantendefekt）の少ない量子層ポンピングが可能になる。このような波長許容差および角度許容差により、簡単に調整が可能でありかつ温度の影響を受けにくい半導体レーザが得られる。
【００２６】
本発明の１実施形態において上記のポンピングビームのあらかじめ定めた入射角αpは０°〜８０°であり、殊に０°〜６０°である。
【００２７】
本発明の１実施形態において上記の波長範囲λp±Δλの半幅Δλは、少なくとも５nmである。
【００２８】
本発明の１実施形態において上記の角度範囲αp±Δαの半幅Δαは、少なくとも５°である。
【００２９】
本発明の別の有利な変形実施形態では、ポンピングビームの光子エネルギーと、量子層構造によって形成されるレーザビームのとの間のエネルギー差は、量子層の縦方向の光学フォノンのエネルギーの整数倍に等しい。このことの利点は、電子が、励起されたポンピングレベルから出発して、比較的多くのフォノンの共振増幅放射によって一層高いレーザレベルに迅速に移行することである。
【００３０】
半導体材料としては有利には半導体材料InxAlyGa1-x-yAs，InxAlyGa1-x-yN，InxAlyGa1-x-yP，InxGa1-xAsyN1-yまたはZnxSeyを使用する。ここでそれぞれ0≦x≦l，0≦y≦l，0≦x+y≦lである。当然のことながら本発明は上記の半導体材料には制限されない。
【実施例】
【００３１】
本発明の別の有利な実施形態は、図１〜３に関連して以下で説明する実施例から得られる。
【００３２】
同じ要素または作用が同じ要素には図面において同じ参照符号が付されている。
【００３３】
図１には外部共振器を有する垂直放射形半導体レーザの構造の１実施例が概略的に示されている。
このレーザは半導体基体１を有しており、この半導体基体は、複数の量子層３およびバリア層４を有する量子層構造２をアクティブゾーンとして含んでいる。
【００３４】
ここではバリア層４は、相異なる半導体材料の複数の層の組み合わせとすることも可能である。さらに半導体基体１は非周期的な反射器５を有する。反射器５は、外部ミラー６と共に、波長λVの垂直ビーム８に対する外部共振器７を構成する。半導体レーザは、ポンピングビーム源９によって光ポンピングされ、波長λpのビーム１０は、入射角αpで半導体基体１に入射する。ポンピングビーム源９とは反対側を向いた半導体基体１の面には背面反射器１１が設けられており、またポンピングビーム源９側を向いた面には、１つまたは複数の層を有し得る前面層構造１２が設けられている。半導体基体１は、背面反射器１１を介して熱排出器１３に接続されている。
【００３５】
ポンピングビーム源９は有利には半導体レーザ、例えばダイオードレーザであり、ポンピングビーム１０の波長λpは、垂直ビーム８の波長λvよりも短い。ポンピングビーム１０は、ふつう半導体基体１に斜めに、例えば４５°の角度で入射する。
【００３６】
半導体基体１に入射するポンピングビーム１０の一部は、量子層構造２によって吸収される。吸収されない部分のうち、さらに一部はブラッグ反射器５で反射する。それは殊にブラッグ反射器５が本発明では非周期的に実施されており、したがって分光反射性を有するからである。ここでこの分光反射性は、層の数が同じであり厳密に周期的なブラッグ反射器の場合に制限されるほどには垂直波長に狭帯域に制限されない。吸収もされず、ブラック反射器５によっても反射されないポンピングビーム１０の部分は、背面反射器１１によって反射されて戻る。この背面反射器１１は、例えば、ポンピングビーム１０の波長λpに応じて例えば、金、銀または銅製の、デポジットされた金属層とすることが可能である。さらにこの金属層を介して、例えば冷却体またはペルチェ素子とすることの可能な熱排出器１３に良好に熱結合することができる。
【００３７】
ブラッグ反射器５および背面反射器１１は、半導体基体１の対向する内部境界面と共にポンピングビーム１０に対する共振器を構成する。このポンピング共振器の特性、例えばそのスペクトル的な品質は、殊に前面層構造１２に変化する。前面の層構造１２は、このために１つまたは複数の半導性および／または誘電性の層を含むことができる。さらに前面層構造１２は有利にも垂直ビーム８に対する、半導体基体１の境界面の反射防止部として使用することができる。
【００３８】
上記のポンピング共振器は、前面層構造１２がなくても構成されることに注意されたい。しかしながらこの前面層構造１２により、有利にも半導体基体１の境界面の反射特性を狙い通りに操作することが可能となる。さらに、４５°の入射角の場合、ポンピングビーム１０は半導体基体１においてポンピング共振器の共振軸に対して平行に伝播しないことに注意されたい。ここまで上記の共振は、精確にいうと疑似共振（Quasiresonanzen）であり、その波長はポンピング共振器の固有振動に対してややずれている。当然のことながら本発明の枠内では、ポンピングビーム１０を共振器軸に対して平行に入射させることも可能である。
【００３９】
上記のポンピング共振器により、半導体基体１内にポンピングビーム１０の定在波が発生し、この定在波の電場の複数の腹には、量子層構造のポンピングビーム１０を吸収する層が位置する。量子層ポンピングまたはバリア層ポンピングがポンピング法として使用されているのに応じて、これらは量子層３またはバリア層４になる。
【００４０】
図２には本発明の半導体レーザの別の実施例が示されている。図１に関連してすでに説明した要素の他に、ポンピング効率をさらに高めるため、外部ポンピングビームミラー１４が設けられており、このミラーにより、半導体基体１から出射されたポンピングビーム１０が半導体基体１に戻される。これによってポンピングビーム１０は、半導体基体１を通して２回導かれる。折りたたまれ外部ポンピング共振器を形成する複数の外部ポンピングビームミラー１４を形成することも考えられる。
【００４１】
本発明の半導体レーザは、例えば、まず半導体基体１をエピタキシャル半導体層列の形態で成長基板に成長させて、つぎにこの成長基板とは反対側の面にミラー層をデポジットすることによって作製することができる。これに続き、有利には同時に熱放射器としても使用される支持部をミラー層に固定し、つぎに上記の成長基板を除去する。
【００４２】
この半導体レーザにおいてポンピング法としてバリアポンピングまたは量子層ポンピングのどらちを使用するかとは関係なくいずれのケースにおいても、この半導体レーザの効率的な動作に対して高いポンピング効率を達成するため、ポンピングビームを十分に吸収することが必要である。
【００４３】
これに関して言えば、バリア層ポンピングは量子層ポンピングよりも有利である。ふつうバリア層は量子層よりも格段に厚く実施され、したがってポンピングビームの高い吸収率を容易に達成できるからである。
【００４４】
両方のポンピングメカニズムにおいて原理的に発生する損失メカニズムは、エネルギー的に高く励起された状態からエネルギー的に低い量子層の放射のレベルに電荷担体が緩和（Relaxation）されることである。量子欠損と称されるこのようなエネルギー損失は、熱の発生となって現れ、これは結晶格子に出力されて半導体レーザを不所望にも加熱してしまう。上記のエネルギー損失は、波長が短くひいてはエネルギーの比較的高いポンピングビームと、波長が長くひいてはエネルギーの比較的低い垂直ビームとの間のエネルギー差に比例する。したがって最大出力は、最大許容熱負荷によって制限されるのである。
【００４５】
バリア層ポンピングにおいては電子−ホール対を形成するために一層高いエネルギーが必要であるため、量子欠損の点からは量子層ポンピングが有利である。さらに、ポンピングビームによってバリア層に解き放たれた電荷担体のすべて量子層に捉えられる訳ではない。すなわち、入力効率（Eingangseffizienz）は１より小さいのである。
【００４６】
したがって追求に値するのは、本発明の半導体レーザの１実施形態を最適化して、ポンピングビーム１０が多く吸収される量子層ポンピングを実現することである。
【００４７】
図３には、図１に相当する本発明の半導体レーザに対して、半導体基体１を最適化した実施形態が概略的に示されている。以下で使用した参照符号は、図１のそれに相応する。
【００４８】
このレーザは、波長λv＝１０５０ｎｍの垂直ビーム８に対して設計されており、また入射角αp＝４５°で半導体基体１に入射する波長λp＝９４０ｎｍのポンピングビーム１０に対して設計されている。ポンピングビームの過剰エネルギー、すなわち量子欠損は約１１％である。この値によって示されるのは、光ポンピングのポンピングメカニズムが量子層ポンピングであることである。それはバリア層ポンピングにおいては約２０％の格段に大きな過剰エネルギーが必要になるからである。ここに示されているのは、各材料において波長λVの単位で示した最適化された層厚である（光学的厚さ）。
【００４９】
上記の半導体基体は、（図３の上から下に見て）約１ｎｍの厚さの金属である背面反射器１１を有しており、その上にそれぞれ３０個のAlAs層および３０個のAlGaAs層の交互の列からなるブラッグ反射器５が続いている。これに続いて７つの周期からなる量子層構造２が続く。ここで量子層構造２の１周期は、以下の示した層から、またそこに示した層厚で構成される。すなわち、GaAsP，30 nm；InGaAs，10nm；GaAsP，30nm；InGaAs，10nm；GaAsP，30nmおよびAlGaAs，40 nmである。ここでInGaAs層は量子層３であり、、AlGaAsおよびGaAsP層はバリア層４である。GaAsP層は、電圧補償に使用される。最後に量子層構造２には前面層構造１２が設けられており、これには複数のInGaP層およびSiN／SiO2層が含まれる。
【００５０】
図３に示した光学的な層厚は、計算した吸収スペクトルおよび増幅反射のスペクトルに基づく、繰り返しの最適化の結果であり、以下ではこれらのうちのいくつかの例を図４に関連して詳しく説明する。はっきりとわかるのは、ブラッグ反射器５の層厚が、水平方向の破線によって示されている周期的なブラッグ反射器の層厚λv／４から偏差することである。この偏差は、層毎に異なっており、上位の周期性を識別することはできない。最適化に対する目標判定基準は、垂直ビーム８に対して大きな増幅反射を得るのと同時に広い波長範囲（大きな波長許容幅）においてポンピングビーム１１が多く吸収されるようにすることであった。
【００５１】
スペクトルの計算は、個々の層における吸収および多重反射を考慮して、いわゆる伝達マトリクス法（Transfermatrixmethode）を使用することによって行われる。層の順序ならびに個々の層厚の下限および上限はあらかじめ設定される。つぎに層厚に対してあらかじめ設定されたスタート値から出発して、繰り返しスペクトルを計算してすべてまたは選択した層厚のグループを変化させて、上記の目的判定基準ができる限り良好に満たされるようにする。ここに示した例ではブラッグ反射器５および前面層構造１２の層厚を変化させて最適化した。
【００５２】
図４には、図３に示した半導体基体１の層構造に対し、計算した増幅反射ｒのスペクトルおよび計算した吸収スペクトルａp，ａsが示されている。吸収スペクトルａp，ａsは、４５°の入射角に対してポンピングビーム１０に適合させて計算されており、また増幅反射ｒのスペクトルは、０°の入射角に対して垂直ビーム８に適合させて計算されている。
【００５３】
細い実線の曲線で示した２つの吸収スペクトルａp，ａsはそれぞれ、入射面に対して平行に偏光されている（ｐ偏光）ビームおよび入射面に対して垂直に偏光されている（ｓ偏光）ビームについて、半導体基体１を通過する際の吸収Ａ（左側の縦軸）を表している。
【００５４】
比較的太い破線の曲線で示されているスペクトルｒは、半導体基体１を通る増幅反射Ｒ（右側の縦軸）を表している。反射率Ｒを計算する際には、量子層３内での励起放射に起因するビームの増幅が一緒に考慮され、結果的にはこれが１００％よりも大きな反射に結びつく。したがって基本的にはこの計算により、ポンピングされた状態の半導体レーザ、すなわち動作時などにポンピングビーム１０を入射した際の半導体レーザが表される。量子層３における電荷担体密度を考慮することによって、ポンピング状態の計算が開始される。この電荷密度は、パラメトライズされた形態において、温度に依存しまたポンピングビーム吸収に依存してあらかじめ設定される。
【００５５】
上記の吸収スペクトルａp，ａsでは９４０ｎｍを中心とした波長範囲においてｐ偏光およびｓ偏光されたビームに対し、幅の広い吸収構造がはっきりと識別できる。約１５ｎｍの幅において上記の吸収はすべて約７０％以上であり、、また平均で約７５％である。これに対して周期的なブラッグ反射器を有する相当の半導体基体の吸収線の線幅は約１〜２ｎｍである。したがって本発明の半導体レーザにより、ポンピングビームに対して大きな波長許容幅が得られ、これによって例えば温度に対する影響の受けやすさが低減されることになる。
【００５６】
増幅反射ｒのスペクトルが示すように、１０５０ｎｍの波長において、すなわち垂直ビームの波長がλvの場合、１１５％を上回る増幅反射Ｒが得られる。この値が示すのは、吸収されたポンピングビーム１０のエネルギーの大部分が、損失過程（例えば格子振動、加熱）に流れる代わりに、効率的なポンピングプロセスに決定的に変換されることである。
【００５７】
したがって以上をまとめると、本発明の半導体レーザにおいては、約１５ｎｍの広い波長許容幅で約７５％のポンピングビームの大きな吸収率が達成され、また約１１％のわずかな量子欠損を有する量子層ポンピングの場合には垂直ビームに対して１１５％を上回る増幅反射が達成されるのである。さらに、有利にも波長許容幅が広いことに付随して、ポンピングビーム１０の入射角度における角度許容幅が広くなる。
【００５８】
またもっぱらバリア層４での吸収になる波長を有するポンピングビームに対しても、相応の最適化が可能であることは明らかである。さらに上記の最適化は、目的判定基準の重み付けをあらかじめ設けるか、別の目的判定基準を考慮して行うことができる。
【００５９】
本発明は実施例に基づく上記の説明によって限定されるものではない。むしろ本発明はあらゆる新規の特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に特許請求の範囲に記載した特徴のあらゆる組み合わせが含まれる。このことはこのような特徴またはこのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施例に明示的には記載されていない場合であっても当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】外部共振器を有する本発明の垂直放射形半導体レーザの構造の１実施例を概略的に示す図である。
【図２】外部共振器を有する本発明の垂直放射形半導体レーザの構造の別の１実施例を概略的に示す図である。
【図３】本発明のレーザの半導体基体の最適化された実施形態における層厚を示す図である。
【図４】図３に示した半導体基体の増幅反射および計算した吸収のスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  半導体基体、  ２  量子層構造、  ３  量子層、  ４  バリア層、  ５  反射器、  ６  外部ミラー、  ７  外部共振器、  ８  垂直ビーム、  ９  ポンピングビーム源、
１０  ビーム、  １１  背面反射器、  １２  前面層構造、  １３  熱排出器、  １４外部ポンピングミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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