(57)【要約】【課題】簡便な構造で高い光利得を得ることができる光増幅器を提供する。【解決手段】第１の発光体５と第２の発光体６とが対向して配置されている。第１の発光体５において、第一の多層膜反射鏡７〜第二の多層膜反射鏡９の構成は、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）として機能し、第２の発光体６において、第一の多層膜反射鏡１６〜第二の多層膜反射鏡１８の構成は、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）として機能する。第１の発光体５のＶＣＳＥＬより放出されるレーザー光は、第二の活性層１１によって吸収される。第２の発光体６より放出されたレーザー光は、第二の活性層１１の上部より照射される。これにより、第二の活性層１１全体を均一に励起することができ、第二の活性層１１に照射される種光を高効率で増幅させることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の発光体と、第２の発光体とが交互に配置された列同士が、第１の発光体と第２の発光体とが対向するように配置され、
第１の発光体は、
第一の多層膜反射鏡と、第一の活性層と、第二の多層膜反射鏡と、第三の多層膜反射鏡と、第二の活性層とがこの順序で積層され、且つ、
第一の多層膜反射鏡に直接若しくは間接的に接続された第一の電極と、
第二の多層膜反射鏡若しくは第三の多層膜反射鏡のいずれかに直接若しくは間接的に接続された第二の電極と、
を有し、
第二の活性層はメサ状をなし、その発振波長は第一の活性層の発振波長より大きく、
第２の発光体は、第１の発光体の第二の活性層を前記積層方向の外側から励起する構成を有している光増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載の光増幅器において、
第２の発光体は、
第一の多層膜反射鏡と、第一の活性層と、第二の多層膜反射鏡と、第三の多層膜反射鏡とがこの順序で積層されて、第三の多層膜反射鏡側が第１の発光体の第二の活性層に対向し、且つ、
第一の多層膜反射鏡に直接若しくは間接的に接続された第一の電極と、
第二の多層膜反射鏡若しくは第三の多層膜反射鏡のいずれかに直接若しくは間接的に接続された第二の電極と、
を有する光増幅器。
【請求項３】
請求項２に記載の光増幅器において、
第１の発光体の第一の電極は第二の活性層よりも前記積層方向の面積が小さい光増幅器。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の光増幅器において、
第１の発光体の第二の電極、第２の発光体の第二の電極は共に環状をなす光増幅器。
【請求項５】
請求項４に記載の光増幅器において、
第１の発光体の第一の電極は、第２の発光体の第一の電極よりも前記積層方向の面積が大きい光増幅器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の光増幅器において、
前記各列が、一つの基板に第１の発光体と第２の発光体とがそれぞれ複数一体に固定された発光体アレイとしてなる光増幅器。
【請求項７】
第一の多層膜反射鏡と、第一の活性層と、第二の多層膜反射鏡と、第三の多層膜反射鏡と、第二の活性層とがこの順序で積層された第１の発光体と、
第一の多層膜反射鏡と、第一の活性層と、第二の多層膜反射鏡と、第三の多層膜反射鏡とがこの順序で積層された第２の発光体と、
を有し、
第２の発光体は、第１の発光体の第二の活性層を該第二の活性層に隣接する第三の多層膜反射鏡とは反対の側から励起するように配置されている光増幅器。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の光増幅器の駆動方法において、
第１の発光体へ注入される電流密度よりも第２の発光体へ注入される電流密度を高くする光増幅器の駆動方法。
【請求項９】
第一の多層膜反射鏡と、第一の活性層と第二の多層膜反射鏡と第三の多層膜反射鏡と第二の活性層とがこの順序で積層された第１の発光体に対し、第一の多層膜反射鏡と第一の活性層と第二の多層膜反射鏡と第三の多層膜反射鏡とがこの順序で積層された第２の発光体を、第１の発光体の第二の活性層を該第二の活性層に隣接する第三の多層膜反射鏡とは反対の側から励起するように配置する第一の工程と、
第１の発光体の第一の活性層にキャリア注入を行ってレーザー発振させ、第１の発光体の第二の活性層を該第二の活性層に隣接する第三の多層膜反射鏡の側から励起させる第二の工程と、
第２の発光体の第一の活性層にキャリア注入を行ってレーザー発振させ、第１の発光体の第二の活性層を該第二の活性層に隣接する第三の多層膜反射鏡とは反対の側から励起させる第三の工程と、
第１の発光体の第二の活性層に光を照射し、前記光を増幅させる第四の工程と、
を有する光増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅器、光増幅器の駆動方法及び光増幅方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年レーザー発振器の高出力化が著しく進展し、それを用いた加工機分野の研究が盛んに行われている。レーザー加工は材料の切断・溶接などに用いられており、レーザー加工の特徴である高エネルギー密度を利用し、従来の機械的な加工では不可能であった炭素繊維などの特殊な材料の切断や、熱の影響を抑制した良好な溶接を可能としている。
一方では、加工速度向上のためには更なるレーザーの高出力化が求められ、高出力レーザー光源はもとより、レーザー光を増幅するための光増幅器についても盛んな研究が行われている。
【０００３】
化合物半導体を光励起によってキャリア注入し、二つの反射鏡間で共振させることでレーザー発振をする半導体レーザーが知られている（例えば特許文献１）。化合物半導体の内部に多くの利得媒質を導入することで高出力化を実現している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、化合物半導体において多くの利得媒質にキャリアを注入するには光励起によらねばならず、励起光源の光軸調整等が必須となり、簡便に高い光利得を得ることができない。
【０００５】
本発明は、このような現状に鑑みて創案されたもので、簡便な構造で高い光利得を得ることができる光増幅器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の光増幅器は、第１の発光体と、第２の発光体とが交互に配置された列同士が、第１の発光体と第２の発光体とが対向するように配置され、第１の発光体は、第一の多層膜反射鏡と、第一の活性層と、第二の多層膜反射鏡と、第三の多層膜反射鏡と、第二の活性層とがこの順序で積層され、且つ、第一の多層膜反射鏡に直接若しくは間接的に接続された第一の電極と、第二の多層膜反射鏡若しくは第三の多層膜反射鏡のいずれかに直接若しくは間接的に接続された第二の電極と、を有し、第二の活性層はメサ状をなし、その発振波長は第一の活性層の発振波長より大きく、第２の発光体は、第１の発光体の第二の活性層を前記積層方向の外側から励起する構成を有している。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、簡便な構造で高い光利得を得ることができる光増幅器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る光増幅器の概要構成図である。
【図２】第１の発光体の構成を示す断面図である。
【図３】第２の発光体の構成を示す断面図である。
【図４】第１の発光体と第２の発光体との一組の対向構成を示す断面図である。
【図５】第１の発光体と第２の発光体の熱の移動経路を示す断面図である。
【図６】実施例における第１の発光体と第２の発光体との一組の対向構成を示す断面図である。
【図７】第１の発光体を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図８】第１の発光体の第二の活性層における量子井戸層の積層構成を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態を図を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る光増幅器の構成を示す図である。光増幅器１は、発光体アレイ２と、発光体アレイ３とを有している。第１の発光体と、第２の発光体とが交互に配置された列同士としての発光体アレイ２、３は、共に一つの基板４に第１の発光体５と第２の発光体６とが交互に配置されてそれぞれ複数一体に固定された構成を有し、第１の発光体と第２の発光体とが対向するように配置されている。
【００１０】
すなわち、発光体アレイ２は、第１の発光体５と第２の発光体６が一方向に交互に配置された構成であり、発光体アレイ３もまた、第１の発光体５と第２の発光体６が一方向に交互に配置された構成である。そして、光増幅器１は、発光体アレイ２が備える第１の発光体５と発光体アレイ３が備える第２の発光体６とが対向するように、また発光体アレイ２が備える第２の発光体６と発光体アレイ３が備える第１の発光体５とが対向するように、それぞれ配置されている。
【００１１】
図２に示すように、第１の発光体５は、第一の多層膜反射鏡７上に、第一の活性層８と、第二の多層膜反射鏡９と、第三の多層膜反射鏡１０と、メサ状をなす第二の活性層１１とがこの順序でＺ方向に積層された構成を有している。以下、Ｚ方向を積層方向ともいう。
第一の多層膜反射鏡７には、第一の電極１２が直接若しくは間接的に接続され、第三の多層膜反射鏡１０には第二の電極１３が直接若しくは間接的に接続されている。
第二の電極１３は、第二の多層膜反射鏡９に直接若しくは間接的に接続されていてもよい。図２において、符号１４、１５は、第一の活性層８を積層方向で挟むクラッド層を示している。
第一の電極１２は第二の活性層１１よりも積層方向の面積が小さい。
【００１２】
第一の多層膜反射鏡７、第一の活性層８及び第二の多層膜反射鏡９の発振波長はλ１で、第三の多層膜反射鏡１０と第二の活性層１１の発振波長はλ２である。
第一の多層膜反射鏡７〜第二の多層膜反射鏡９の構成は、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）として機能する。
それぞれの活性層の発振波長の関係を、λ１＜λ２を満たすように設定すると、第二の活性層１１はλ１に対して吸収体として機能し、ＶＣＳＥＬより放出されるレーザー光は、第二の活性層１１によって吸収される。
【００１３】
吸収されたレーザー光は第二の活性層１１の内部に電子・正孔対を生成し、レーザー光の出力に応じたキャリア密度で蓄積される。
一定以上のキャリア密度に到達すると反転分布となり、その状態の第二の活性層１１に、波長λ２のレーザー光が照射されると、誘導放出によって該レーザー光が増幅される。
このときレーザー光は吸収体としての第二の活性層１１の下部より照射されるので、キャリア密度は第二の活性層１１の下部ほど高い。
一方、第二の活性層１１の上部のキャリア密度は下部に比べて低いため、上部に存在する量子井戸には十分なキャリアが蓄積されない。このため、反転分布に到達せず光増幅が観察できない虞がある。
【００１４】
その場合、キャリア密度が不十分な量子井戸に到達したキャリアは、発光前に非発光再結合により消滅し、該キャリアの生成に使用されたレーザー光は増幅に寄与することなく失われる。
その結果、第二の活性層１１の内部において熱が発生し、増幅特性の低下や信頼性の低下を引き起こす虞がある。
【００１５】
図３に示すように、第２の発光体６は、第一の多層膜反射鏡１６上に、第一の活性層１７と、第二の多層膜反射鏡１８と、第三の多層膜反射鏡とがこの順序でＺ方向に積層された構成を有している。なお、ここでは第三の多層膜反射鏡の図示を省略している。
第一の多層膜反射鏡１６には、第一の電極１９が直接若しくは間接的に接続され、第三の多層膜反射鏡には第二の電極２０が直接若しくは間接的に接続されている。
第二の電極２０は、第二の多層膜反射鏡１８に直接若しくは間接的に接続されていてもよい。図３において、符号２１、２２は、第一の活性層１７を積層方向で挟むクラッド層を示している。
【００１６】
図３に示すように、第２の発光体６は、第１の発光体５において吸収体としての第二の活性層１１を除いた構成と同様の構成を有している。
第２の発光体６において、第一の多層膜反射鏡１６〜第二の多層膜反射鏡１８の構成は、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）として機能する。
第一の多層膜反射鏡１６、第一の活性層１７及び第二の多層膜反射鏡１８の設計波長はλ１で、第三の多層膜反射鏡の設計波長はλ２である。λ１＜λ２なる関係が満たされている。
【００１７】
図４は、図１における第１の発光体５と第２の発光体６と対向構成の１組を示している。第２の発光体６は、第三の多層膜反射鏡側が第１の発光体５の第二の活性層１１に対向するように配置されている。
第１の発光体５と第２の発光体６はそれぞれ対向しているので、第２の発光体６より放出されたレーザー光は、第１の発光体５の第二の活性層１１の上部より照射される。
すなわち、第１の発光体５のＶＣＳＥＬ構成により下部より励起された第二の活性層１１の、励起強度が低い上部を第２の発光体６によって励起することによって、第二の活性層１１全体を均一に励起することができる。
【００１８】
換言すれば、第２の発光体６は、第１の発光体５の第二の活性層１１を積層方向の外側から励起する構成を有している。
すなわち、第２の発光体６は、第１の発光体の第二の活性層１１を該第二の活性層１１に隣接する第三の多層膜反射鏡１０とは反対の側から励起するように配置されている（光増幅方法における第一の工程）。
【００１９】
これによって、生成したキャリアを効率的に光増幅に用いることが可能となり、吸収体としての第二の活性層１１の諸特性を向上させることができる。
レーザー光（種光２３）の増幅は、図１に示すような手順（光増幅方法）で行われる。第１の発光体５の第一の電極１２と第二の電極１３とにより第一の活性層８にキャリア注入を行い、レーザー発振させる（第二の工程）。該レーザー光は第二の活性層１１によって吸収され、第二の活性層１１は励起状態となる。
【００２０】
一方、第２の発光体６の第一の電極１９と第二の電極２０とにより第一の活性層１７にキャリア注入を行い、同様にレーザー発振させる。第２の発光体６から放出されたレーザー光によって第１の発光体５の第二の活性層１１を、その表面側から励起させる（第三の工程）。
以上の結果、第１の発光体５の第二の活性層１１は、レーザー光によって両側から励起されるため、活性層内部に均一にキャリアが生成する。
このような状態の第二の活性層１１に種光２３を照射すると、図１に示すように、誘導放出によって種光２３が増幅される（第四の工程）。種光２３の増幅度は、図１の右側へいくに従って大きくなる。
【００２１】
図４に示すように、第１の発光体５の第二の活性層１１に対して、第１の発光体５と第２の発光体６とにより励起光Ｌ１、Ｌ２が照射されている。
ここで、第１の発光体５の第一の電極１２の径をａ、第２の発光体６の第一の電極１９の径をｂ、第１の発光体５より放出されるレーザー光の第二の活性層１１でのビーム径をａ’、第２の発光体６より放出されるレーザー光の第二の活性層１１でのビーム径をｂ’、第１の発光体５の第一の活性層８と第二の活性層１１との間の距離をＡ、第２の発光体６の第一の活性層１７と第１の発光体５の第二の活性層１１との間の距離をＢとすると、Ａ＜Ｂなる関係が成立している。
【００２２】
発光体からのレーザー光は一定の発散角を有しているため、ａ＜ａ’及びｂ＜ｂ’なる関係が成立している。
従って、第１の発光体５の第一の電極１２と、第２の発光体６の第一の電極１９とを同一形状（ａ＝ｂ）とした場合、ａ’＜ｂ’なる関係が成立する。
ａ’≠ｂ’の場合、第１の発光体５あるいは第２の発光体６のいずれかのみで励起される領域が存在する。該領域は二つの発光体で励起される領域と比較するとキャリア密度が低く、種光が照射された場合であっても増幅効率が低いかあるいは増幅効果が得られない虞がある。
そのような領域に照射されたレーザー光は、種光の増幅への寄与が低く、発光体の駆動効率を低下させる。
【００２３】
従ってａ’≒ｂ’となるように第１の発光体５の第一の電極１２と第２の発光体６の第一の電極１９との形状を設定した場合、第二の活性層１１の内部で生成したキャリアは効率的に光増幅に利用され、発光体の駆動効率を向上させることができる。
【００２４】
図５は、第１の発光体５において発生した熱の移動経路を示している。第１の発光体５は図示しない接合剤によってヒートシンク２４に固定されている。
図５において、第１の発光体５に注入されたキャリアは第一の活性層８において発光し消費される。しかし一部は非発光再結合によって熱に変換される。ここで発生した熱は、破線の矢印で示すように、ヒートシンク２４を介して外部へ排出される。
第２の発光体６においても同様に、第一の活性層１７で発生した熱は、破線の矢印で示すように、ヒートシンク２５を介して外部へ排出される。
【００２５】
一方、第１の発光体５から放出されたレーザー光は第二の活性層１１に吸収され、キャリアを生成する。吸収過程において、格子間原子などの欠陥に吸収され、熱に変換される場合がある。
また、キャリアに変換された場合であっても、非発光再結合によって熱に変換される場合がある。このように発生した熱についても、実線の矢印で示すように、ヒートシンク２４を介して外部へ排出される。
【００２６】
図５において明らかなように、第二の活性層１１で発生した熱は、第１の発光体５の第一の活性層８を通過しなければならない。すなわち、第一の活性層８は第二の活性層１１の熱の影響を受けるため、第２の発光体６の第一の活性層１７と比較して特性が低下する。
従って、同等の構成である第１の発光体５と第２の発光体６の発光効率には差異が存在するため、等しい注入電流密度で同等に駆動することはできない。上述のように第二の活性層１１で発生した熱は、第一の活性層８を通過しなければ外部へ排出することはできないため、第１の発光体５の第一の活性層８へのキャリア注入と、第２の発光体６の第一の活性層１７へのキャリア注入を比較すると、前者の注入量を低減し発熱を抑制することによって、第二の活性層１１での発熱を効果的に排出することができる。
【００２７】
一般に、ＶＣＳＥＬの光強度は注入する電流密度に比例するので、同一のＶＣＳＥＬにおいてより高い光強度を得るためには、より高い電流密度を注入しなければならない。
従って、第１の発光体５に注入する電流密度以上の電流を、第２の発光体６に注入することによって、上記のように第１の発光体５以上の光出力を第２の発光体６より得ることができる。
【００２８】
［実施例］
図６は、本実施例における面型半導体光増幅器の具体的な構成を示している。
発光体を構成する部材はＡｌＧａＩｎＰＡｓ系化合物半導体より構成され、デバイス表面は、（１１１）方向に（１００）面が１５°傾斜した（５１１）面で構成されている。図６において、ｎはｎ型半導体を、ｐはｐ型半導体を、ＤＢＲは多層膜反射鏡を示している。
【００２９】
第１の発光体５の構成について記述する。
Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／ＡｌＡｓ  ２５ペアよりなる第一の多層膜反射鏡７が積層され、Ｃが１Ｅ１７／ｃｍ３でドーピングされている。第一の多層膜反射鏡７上に、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓ  ３ＱＷよりなる第一の活性層８が積層されており、さらに中心波長８０８ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／ＡｌＡｓ  １８ペアよりなる第二の多層膜反射鏡９が積層され、Ｓｅが２Ｅ１８／ｃｍ３でドーピングされている。
第二の多層膜反射鏡９上には中心波長１０６４ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／ＡｌＡｓ  １９ペアよりなる第三の多層膜反射鏡１０が積層され、Ｓｅが２Ｅ１８／ｃｍ３でドーピングされている。
【００３０】
第三の多層膜反射鏡１０上には、ＧａＡｓコンタクト層２５ｎｍが積層されており、Ｓｅが２Ｅ１９／ｃｍ３でドーピングされている。
上記コンタクト層上には、厚さ５ｎｍに設定されたＧａＩｎＡｓよりなる量子井戸活性層２６（波長１０６４ｎｍ、歪み：＋１．９％）の両側を歪み−１．４％を有する厚さ５．５ｎｍのＧａＰＡｓよりなる障壁層２７で隔てられた構造を一組として、量子井戸層が６０層積層されており（図８参照）、第二の活性層１１を構成している。
これらの積層体上下にオーミック電極が形成されており、半導体基板に第一の電極１２、第三の多層膜反射鏡１０に第二の電極１３がそれぞれ接続されている。
【００３１】
第一の電極１２からはホールが注入され、半導体基板としての第一の多層膜反射鏡７を伝導し、電流狭窄層によって高いキャリア密度で第一の活性層８に注入される。
一方、第二の電極１３からは電子が注入され、第三の多層膜反射鏡１０、第二の多層膜反射鏡９を伝導し、第一の活性層８に注入される。
図７に示すように、第二の電極１３は環状をなしており、第三の多層膜反射鏡１０、第二の多層膜反射鏡９を伝導する間に拡散し、均一な注入を実現している。
一般に、電子はホールと比較して材料中の移動度が遥かに高いため、非常に拡散しやすい性質を有している。
【００３２】
一般的な面発光レーザーにおいては、ｐｎ構造が図６及び７とは逆の構造で、ｐ電極が環状をなしている場合が多い。しかしそのような構造においてはホールの移動度が低く、均一なキャリア注入を実現できるのは直径が１０〜２０μｍ程度であるとされており、それ以上の注入領域の場合不均一な注入となる（例えば、非特許文献４）。
しかし、本実施形態で示すように、ｎ電極が環状をなしている場合においては、上記のように電子の移動度が高いため、より大径の注入領域においても均一なキャリア注入が可能となる。
【００３３】
第一の活性層８に注入されたキャリアによりレーザー発振し、ｐＤＢＲ・ｎＤＢＲ（８０８ｎｍ）の反射率を適切に設定することによって光増幅器側（第二の活性層１１側）へ導くことができる。第二の活性層１１の発振波長は１０６４ｎｍに設定されており、上記のようにレーザー光が照射されることにより、ＧａＩｎＡｓよりなる量子井戸層が励起され、該量子井戸層のキャリア密度が高められる。
本実施形態の構成を半導体光増幅器として用いる場合、レーザーの光出力を徐々に高めることによって、量子井戸内部のキャリア密度は更に高められ、反転分布に到達する。この状態の第二の活性層１１に種光（波長：１０６４ｎｍ）が照射されることによって誘導放出が発生し、種光の増幅を実現することができる。
本発明により、高信頼性、高効率且つ高い光増幅機能を有する光増幅器を提供することができる。
【００３４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３５】
１  光増幅器
２、３  発光体アレイ
５  第１の発光体
６  第２の発光体
７、１６  第一の多層膜反射鏡
８、１７  第一の活性層
９、１８  第二の多層膜反射鏡
１０  第三の多層膜反射鏡
１１  第二の活性層
１２、１９  第一の電極
１３、２０  第二の電極
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】特表２００２−５２３８８９号公報
【非特許文献】
【００３７】
【非特許文献１】IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.24, NO.16, (2012) p1409-1411
【非特許文献２】APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL.97, 021101(2010)
【非特許文献３】IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.37, NO.1, (2012) p127-134
【非特許文献４】M.Grabherr et.al.;IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUAMTUM ELECTRONICS,VOL.5,NO.3,(1999)495
【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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