JP2007142394A

JP2007142394A - ポンプビームの再活用の可能な外部共振器型面発光レーザ

Info

Publication number: JP2007142394A
Application number: JP2006300468A
Authority: JP
Inventors: Ki-Sung Kim; 起成金; Taku Kin; 金　澤
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2007-06-07
Also published as: KR20070052059A; US20070110118A1

Abstract

【課題】ポンプビームを再活用することによって、活性層によるポンプビームの吸収を向上させた前方光ポンピング方式の外部共振器型面発光レーザを提供する。
【解決手段】所定の波長を有する信号光を放出する活性層３４と、活性層３４の上面と離隔されて対向するものであって、活性層３４で発生した信号光の一部は透過させて外部に出力し、一部は、活性層３４で反射する外部ミラー３７と、活性層３４を励起させるためのポンプビームを活性層３４の上面に向って放出するポンプレーザ３５と、活性層３４の下面と接するものであって、活性層３４で発生した信号光と活性層３４で吸収されずに透過されたポンプビーム３５とを何れも反射できる多重帯域反射器３３と、を備えることを特徴とする外部共振器型面発光レーザである。
【選択図】図４

Description

本発明は、外部共振器型面発光レーザに係り、さらに詳細には、ポンプビームを再活用することによって、活性層によるポンプビームの吸収を向上させた前方光ポンピング方式の外部共振器型面発光レーザに関する。

発振されるビームが基板に垂直方向に放出される面発光レーザ（または、垂直共振器型面発光レーザ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ））は、狭いスペクトルの単一縦モード発振が可能であり、ビームの放射角が小さいという長所がある。また、面発光の構造上、他の装置への集積が容易である。しかし、ＶＣＳＥＬは、単一横モード発振が側面発光レーザに比べて非常に難しく、出力が弱いという問題がある。

前述したＶＣＳＥＬの長所を生かした高出力レーザ素子として、外部共振器型面発光レーザ（ＶｅｒｔｉｃａｌＥｘｔｅｒｎａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ：ＶＥＣＳＥＬ）がある。ＶＥＣＳＥＬは、ＶＣＳＥＬの上部ミラーを外部のミラーに代替して利得領域を拡大させることによって、数Ｗ〜数十Ｗ以上の高出力が得られるレーザ素子である。

図１は、一般的なＶＥＣＳＥＬの概略的な構造を示す図面であって、図１に示すＶＥＣＳＥＬは、前方に斜めに配置されたポンプレーザにより光ポンピングされる前方光ポンピング方式のレーザである。図１に示すように、前方光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬ１０は、一般的に、ヒートシンク１１上に順次に積層された分散ブラッグ反射層（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）１３、活性層１４、活性層１４と所定間隔離隔されて対向する外部ミラー１７、及び活性層１４の上面に向って斜めに配置されたポンプレーザ１５を備える。そして、活性層１４の上面には、活性層１４から発生する熱を拡散させるための熱拡散素子１２がさらに配置され、活性層１４と外部ミラー１７との間には、出力される光の周波数を２倍にする２次調和波発生（ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）結晶１８がさらに配置されうる。また、ポンプレーザ１５から放出されるポンプビームを平行光にするコリメーティングレンズ（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇｌｅｎｓ）１６が配置される。ここで、活性層１４は、例えば、ＲＰＧ（ＲｅｓｏｎａｎｔＰｅｒｉｏｄｉｃＧａｉｎ）構造を有する多重量子ウェル構造であり、ポンプビームにより励起されて、所定の波長λ_２を有する光を放出する。ポンプレーザ１５は、活性層１４から放出される光の波長より短波長λ_１のポンプビームを活性層１４に入射させて、活性層１４を励起させる役割を担う。

このような構造で、ポンプレーザ１５から放出された比較的に短波長λ_１のポンプビームが活性層１４に入射すれば、活性層１４が励起されつつ、特定の波長λ_２の光を放出する。このように発生した光は、ＤＢＲ層１３と外部ミラー１７との間で反射を繰り返しつつ、活性層１４を往復する。この過程を通じて活性層１４内で増幅された光の一部は、外部ミラー１７を通じて外部に出力される。このとき、活性層１４と外部ミラー１７との間にＳＨＧ結晶１８が配置される場合、例えば、活性層１４から放出される赤外線領域の光を可視光線領域の光に変換して出力できる。

一方、図２は、後方光ポンピング方式の一般的なＶＥＣＳＥＬの構造を概略的に示している。図１に示す前方光ポンピング方式の場合には、活性層でポンプビームの入射面と出力光の放出面とが同じである。すなわち、活性層の上面を通じてポンプビームが入射し、活性層の上面を通じて出力光が放出される。一方、図２に示すように、後方光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬ２０は、活性層の底面を通じてポンプビームが入射し、活性層の上面を通じて出力光が放出される。このために、例えば、ダイアモンドや炭化ケイ素（ＳｉＣ）等からなる透光性熱拡散素子２１上にＤＢＲ層２２と活性層２３とが順次に積層され、ポンプレーザ２４は、透光性熱拡散素子２１を挟んで活性層２３と対向する。したがって、ポンプレーザ２４から放出されたポンプビームは、透光性熱拡散素子２１を通過して活性層２３の底面に入射する。

ところが、これまで開発されたＶＥＣＳＥＬの場合、ポンプレーザから放出されたポンプビームが活性層で完全に吸収されず、ポンプビームの一部がヒートシンクにより消散されるか、または活性層を通過して放出されるという問題がある。例えば、前方光ポンピング方式の場合、活性層で全て吸収されていないポンプビームの一部は、ＤＢＲ層を通過して消滅される。図１のＶＥＣＳＥＬ１０で、例えば、活性層１４が１０６０ｎｍの波長を有する信号光を放出する場合、８０８ｎｍの発振波長を有するポンプレーザを一般的に使用する。この場合、図３に示すように、１０６０ｎｍで最大の反射率を有するように設計されたＤＢＲ層１３は、８０８ｎｍのポンプビームに対しては反射率が最低になる。したがって、従来の前方光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬでは、活性層を通過したポンプビームがＤＢＲ層も通過して、ヒートシンクに入射する。

また、後方光ポンピング方式の場合にも、活性層で吸収されきれないポンプビームの一部は、活性層の上面を通じて放出されてしまう。したがって、従来のＶＥＣＳＥＬは、ポンプビームのエネルギーを十分に利用できず、効率が低下する。

本発明の目的は、ポンプレーザから放出されたポンプビームを再活用することによって、活性層によるポンプビームの吸収を向上させた前方光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬを提供することである。

前述した目的を解決するための本発明の望ましい実施形態に係るＶＥＣＳＥＬは、所定の波長を有する信号光を放出する活性層と、前記活性層の上面と離隔されて対向するものであって、前記活性層で発生した信号光の一部は透過させて外部に出力し、一部は、活性層で反射する外部ミラーと、前記活性層を励起させるためのポンプビームを前記活性層の上面に向って放出するポンプレーザと、前記活性層の下面と接するものであって、前記活性層で発生した信号光と前記活性層で吸収されずに透過されたポンプビームとを何れも反射できる多重帯域反射器（ＤｏｕｂｌｅＢａｎｄＭｉｒｒｏｒ：ＤＢＭ）と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、前記ＤＢＭは、信号光の波長及びポンプビームの波長に対して最も高い反射率を有することを特徴とする。例えば、前記ＤＢＭは、信号光の波長及びポンプビームの波長に対して少なくとも３０％の反射度を有することが望ましい。

また、前記ＤＢＭにより反射された信号光は、前記ＤＢＭと外部ミラーとの間で共振し、前記ＤＢＭにより反射されたポンプビームは、前記活性層で再吸収されることを特徴とする。

本発明によれば、前記ＤＢＭは、屈折率の相対的に高い高屈折率半導体層Ｈ、屈折率の相対的に低い低屈折率半導体層Ｌ、及びスペーサ層Ｓを所定の順序によって反復積層することによって形成された複数層構造の半導体分散ブラッグ反射器（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）でありうる。この場合、前記スペーサ層Ｓは、高屈折率半導体層Ｈ及び低屈折率半導体層Ｌのうち何れか一つと同じ材料からなりうる。

前記スペーサ層Ｓの一つの厚さＴは、（λ／４）×Ｍ×０．５≦Ｔ≦（λ／４）×Ｍ×１．５であり、ここでＭは、１以上の自然数であり、λは、信号光の波長及びポンプビームの波長の平均値であることを特徴とする。

例えば、前記ＤＢＭの複数層構造は、［（ＨＬ）^ＤＳ］^Ｎまたは［（ＬＨ）^ＤＳ］^Ｎの形態であり、ここで、Ｄ及びＮは、１以上１００以下の自然数である。
一方、前記ＤＢＭは、屈折率の相対的に高い高屈折率半導体層Ｈと、屈折率の相対的に低い低屈折率半導体層Ｌとを所定の順序によって反復積層することによって形成された複数層構造の半導体ＤＢＲでありうる。

例えば、前記ＤＢＭの複数層構造は、［（２Ｈ）^Ｄ１（ＬＨ）^Ｄ２（２Ｌ）^Ｄ３（ＬＨ）^Ｄ４］^Ｎまたは［（２Ｌ）^Ｄ１（ＨＬ）^Ｄ２（２Ｈ）^Ｄ３（ＨＬ）^Ｄ４］^Ｎの形態であり、ここで、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、及びＮは、１以上１００以下の自然数である。
または、前記ＤＢＭの複数層構造は、例えば、［（ＬＨ）^Ｄ１（ＨＬ）^Ｄ２］^Ｎまたは［（ＨＬ）^Ｄ１（ＬＨ）^Ｄ２］^Ｎの形態であり、ここで、Ｄ１、Ｄ２、及びＮは、１以上１００以下の自然数である。

本発明によれば、前記それぞれの高屈折率半導体層Ｈ及び低屈折率半導体層Ｌの厚さは、λ／４であり、ここで、λは、信号光の波長及びポンプビームの波長の平均値であることが望ましい。

前記高屈折率半導体層Ｈ及び低屈折率半導体層Ｌは、それぞれＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）及びＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）であり、ここで、ｘ＜ｙでありうる。
本発明によれば、前記活性層は、信号光を生成する複数の量子ウェル層及び前記複数の量子ウェル層の間に形成された複数の障壁層を備え、それぞれの量子ウェル層は、前記外部ミラーとＤＢＭとの間で信号光が共振して発生する正常波のアンチノードに位置することを特徴とする。

また、本発明によれば、前記活性層で発生する熱を発散するためのヒートシンクは、前記ＤＢＭの下面にさらに配置されうる。

また、前記活性層を冷却させるための透光性熱拡散素子は、前記活性層の上面にさらに配置されうる。前記透光性熱拡散素子は、ダイアモンド、ＳｉＣ、ＡｌＮ、及びＧａＮを含む群から選択された少なくともいずれか一つの材料からなりうる。

また、前記活性層から放出された信号光の周波数を２倍にするＳＨＧ結晶は、前記活性層と外部ミラーとの間にさらに配置されうる。

本発明に係るＶＥＣＳＥＬの場合、ＤＢＭを利用することによって、活性層で完全に吸収されずに放出されるポンプビームを再活用できる。その結果、ポンプビームの使用効率が向上するので、さらに大きな出力のレーザ素子を提供できる。また、出力が同じ場合、活性層の厚さが、従来に比べて薄く、かつ消耗電力の少ないレーザ素子を提供できる。また、入力の変化による出力の変化量が、従来に比べて大きな傾斜度を有し、入力と出力との線形的な関係が向上する。

以下、図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

図４は、本発明の望ましい実施形態に係る前方光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬの構造を概略的に図示している。図４に示すように、本発明の望ましい実施形態に係る前方光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬ３０は、所定の波長λ_２を有する信号光を放出する活性層３４、活性層３４の上面と離隔されて対向する外部ミラー３７、活性層３４を励起させるためのポンプビームλ_１を活性層３４の上面に向って放出するポンプレーザ３５、及び活性層３４の下面と接し、活性層３４で発生した信号光と、活性層３４で吸収されずに透過されたポンプビームとを全て反射できるＤＢＭ３３を備える。ＤＢＭ３３及び活性層３４は、例えば、ＧａＡｓ基板３２上で順に成長して形成されうる。ここで、外部ミラー３７は、活性層３４で発生して入射する信号光のほとんどを共振のために反射し、一部を透過させて外部に出力する役割を行う。

そして、活性層３４と外部ミラー３７との間には、活性層３４から放出された信号光の周波数を２倍にするＳＨＧ結晶３８がさらに配置されてもよい。活性層３４と外部ミラー３７との間にＳＨＧ結晶３８が配置される場合、例えば、活性層３４から放出される赤外線領域の光を可視光線領域の光に変換して出力できる。

また、図４に示されてはいないが、図１に示す従来の場合と同様に、活性層３４で発生する熱を外部に放出するための熱拡散素子が、活性層３４の上面にさらに配置されうる。この場合、ポンプレーザ３５から放出されたポンプビームと、活性層３４で発生した信号光とが何れも熱拡散素子を通過せねばならないので、前記熱拡散素子は、透光性を有さねばならない。このような透光性の熱拡散素子として、例えば、ダイアモンド、ＳｉＣ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び窒化ガリウム（ＧａＮ）などを使用できる。

また、図４に示すように、活性層３４で発生する熱を外部に発散するためのヒートシンク３１がＤＢＭ３３の下部に配置されうる。

したがって、本発明の望ましい実施形態に係るＶＥＣＳＥＬ３０は、図１に示す前方光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬ１０とほぼ同じ構造を有し、ただし従来の場合とは異なり、活性層で発生した信号光だけでなく、ポンプレーザで発生したポンプビームも反射するＤＢＭ３３を使用するという点で異なる。すなわち、従来の前方光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬ１０の場合、ＤＢＲ層１３は、活性層１４で発生した信号光のみを反射し、ポンプレーザ１５で発生したポンプビームはそのまま透過させた。したがって、従来の場合には、活性層で完全に吸収されずに残ったポンプビームが再活用されず、そのまま捨てられた。しかし、本発明に係るＶＥＣＳＥＬ３０の場合、ＤＢＭ３３を使用することによって、図４に示すように、活性層３４を通過するポンプビームが反射されて、再び活性層３４に入射する。したがって、活性層３４で吸収されずに残ったポンプビームを活性層３４の励起にさらに使用できる。

また、活性層３４で発生した信号光が、ＤＢＭ３３と外部ミラー３７との間で共振できるように、ＤＢＭ３３は、活性層３４で発生した信号光も反射せねばならない。このために、ＤＢＭ３３は、信号光の波長λ_２及びポンプビームの波長λ_１に対して最も高い反射率を有する必要がある。例えば、ＤＢＭ３３は、信号光の波長とポンプビームの波長ともに対して、少なくとも３０％以上の反射度を有することが望ましい。

一般的に、反射器は、あらゆる帯域の波長に対して高い反射率を維持できるものではなく、通常、特定の波長に対してのみ高い反射率を有する。本発明に係るＤＢＭ３３の場合、少なくとも二つの波長領域、すなわち、信号光の波長λ_２及びポンプビームの波長λ_１で最も高い反射率を維持するように設計される。このようなＤＢＭ３３として、例えば、相異なる屈折率を有する複数の半導体層が所定の順序によって周期的に積層されることによってなる多重帯域半導体ＤＢＲを使用できる。さらに具体的に、ＤＢＭ３３は、高屈折率半導体層Ｈ及び低屈折率半導体層Ｌを所定の順序によって反復積層することによって形成されるか、または高屈折率半導体層Ｈ、低屈折率半導体層Ｌ、及びスペーサ層Ｓを所定順序によって反復積層することによって形成できる。ここで、高屈折率半導体層Ｈは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなり、望ましくは、ＧａＡｓ（すなわち、ｘ＝０）からなる。一方、低屈折率半導体層Ｌは、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）からなり、望ましくは、ＡｌＡｓ（すなわち、ｙ＝１）からなる。一般的に、ＡｌＧａＡｓでＧａの組成が高いほど屈折率が高く、Ａｌの組成が高いほど、屈折率が低いため、ｘ＜ｙを満足せねばならない。また、スペーサ層Ｓは、高屈折率半導体層Ｈ及び低屈折率半導体層Ｌのうち何れか一つと同じ材料からなる。例えば、高屈折率半導体層ＨがＧａＡｓであり、低屈折率半導体層ＬがＡｌＡｓであれば、スペーサ層Ｓは、ＧａＡｓやＡｌＡｓのうち何れかを使用してもよい。

図５は、本発明に係るＶＥＣＳＥＬ３０の活性層３４及びＤＢＭ３３の例示的な複数層構造を示している。まず、活性層３４は、公知のように、複数の量子ウェル３４ａと量子ウェル３４ａ間の複数の障壁層３４ｂとから構成されるＲＰＧ（ｒｅｓｏｎａｎｔｐｅｒｉｏｄｉｃｇａｉｎ）構造を有する。そして、活性層３４の最上部には、量子ウェル３４ａを保護するためのウィンドウズ層３４ｗが形成される。利得を得るためには、それぞれの量子ウェル３４ａは、活性層３４で発生する信号光が外部ミラー３７とＤＢＭ３３との間で共振して発生する正常波のアンチノードに位置する。したがって、量子ウェル３４ｑは、活性層３４で発生する信号光の波長と同じ間隔で配列される。前述した構造の活性層３４に入射したポンプビームは、活性層３４の内部を進行しつつ、主に量子ウェル３４ａで吸収される。量子ウェル３４ａは、ポンプビームを吸収することによって励起されて信号光を放出するが、量子ウェル３４ａがポンプビームにより励起されるためには、ポンプビームの波長λ_１が信号光の波長λ_２より短い必要がある。例えば、信号光の波長が９２０ｎｍまたは１０６０ｎｍの赤外線領域の波長である場合、ポンプビームの波長は、約８０８ｎｍであることが望ましい。このようなポンプビームは、信号光とは異なり、共振が要求されないため、量子ウェル３４ａがポンプビームの波長のアンチノードに位置する必要はない。

一方、図５に例示的に示すＤＢＭ３３は、基板３２側からから高屈折率半導体層Ｈ、低屈折率半導体層Ｌ、高屈折率半導体層Ｈ、低屈折率半導体層Ｌ、及びスペーサ層Ｓが３回反復積層された構造である。このような構造を簡単に表現すれば、［（ＨＬ）^２Ｓ］^３で表現されうる。一般的に、各層の積層順序は、反射しようとする光の波長によってシミュレーションを通じて適切に選択され、積層回数が増加するほど、所望の波長での反射率が向上する。例えば、ポンプビームの波長が８０８ｎｍであり、信号光の波長が９２０ｎｍまたは１０６０ｎｍである場合、ＤＢＭ３３は、［（ＨＬ）^ＤＳ］^Ｎ、［（２Ｈ）^Ｄ１（ＬＨ）^Ｄ２（２Ｌ）^Ｄ３（ＬＨ）^Ｄ４］^Ｎ、または［（ＬＨ）^Ｄ１（ＨＬ）^Ｄ２］^Ｎ形態の複数層構造を有しうる。前記構造で、高屈折率半導体層Ｈ及び低屈折率半導体層Ｌの位置は、相互交換可能である。すなわち、ＤＢＭ３３は、［（ＬＨ）^ＤＳ］^Ｎ、［（２Ｌ）^Ｄ１（ＨＬ）^Ｄ２（２Ｈ）^Ｄ３（ＨＬ）^Ｄ４］^Ｎまたは［（ＨＬ）^Ｄ１（ＬＨ）^Ｄ２］^Ｎ形態の複数層構造を有してもよい。ここで、Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、及びＮは、何れも１以上１００以下の自然数であり、Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、及びＮ値を適切に調節することによって、所望の波長帯域で所望の反射率を有しうる。

前記のような構造で、高屈折率半導体層Ｈ及び低屈折率半導体層Ｌの厚さは、約λ／４であることが望ましい。ここで、λは、信号光の波長及びポンプビームの波長の平均値（すなわち、λ＝（λ_１＋λ_２）／２）である。また、スペーサ層Ｓの厚さは、λ／４の整数倍になる厚さで約５０％以内の変化を有しうる。すなわち、スペーサ層Ｓの厚さＴは、（λ／４）×Ｍ×０．５≦Ｔ≦（λ／４）×Ｍ×１．５で表現されうる（ここで、Ｍは、１以上の自然数）。このような各層のさらに具体的な厚さＴの値は、例えば、反射しようとする波長帯域によってシミュレーションを通じて適切に選択されうる。

前述した構造のＤＢＭ３３を使用して、信号光及びポンプビームを何れも反射することによって、従来とは異なり、活性層３４で吸収されずに残ったポンプビームを再活用することが可能である。図６は、本発明に係るＤＢＭ３３による活性層３４でのポンプビーム吸収の工場効果を例示的に示すグラフである。図６のグラフ“Ａ”から分かるように、ポンプレーザ３５から直接入射したポンプビームは、活性層３４の表面から吸収されつつ、活性層３４の内部に進むほど減衰する。したがって、活性層３４の表面から内部に入っていくほど、ポンプビームの吸収量が次第に減少する。結局、活性層３４の表面から約１．５μｍの深さでは、吸収されるポンプビームのパワーが活性層３４を励起させるための閾値より小さくなって、活性層３４が信号光を放出しない。したがって、この場合に、活性層３４の厚さは約１．５μｍになることが望ましい。それにより、活性層３４で完全に吸収されずに残ったポンプビームは、活性層３４の下面を通じて出射される。このとき、ポンプビームは、活性層３４の下面に形成されたＤＢＭ３３により反射されて、再び活性層３４に入射する。図６のグラフ“Ｂ”から分かるように、反射されたポンプビームは、活性層３４の下部表面から再び吸収される。その結果、活性層３４でのポンプビームの吸収量は、図６のグラフ“Ｃ”のように、全体的に増加するだけでなく、活性層３４内で深さによるポンプビームの吸収量の偏差も減る。したがって、活性層３４内のキャリア濃度が全体的に向上することによって、レーザ素子の出力が高まり、深さによる出力も比較的に均一になるので、レーザ素子の特性がさらに向上しうる。

図７及び図８は、ポンプビームの波長が８０８ｎｍであり、信号光の波長が９２０ｎｍである第１実施例で、ＤＢＭ３３の波長による反射度の変化及びレーザの出力向上をそれぞれ例示的に示すグラフである。第１実施例の場合、前述した構造式のうち、［（ＨＬ）^ＤＳ］^Ｎを利用してＤＢＭ３３を構成した。ここで、Ｄ＝７、Ｎ＝７であり、高屈折率半導体層ＨとしてＡｌ_０．２ＧａＡｓを６１７．５Åの厚さに積層し、低屈折率半導体層ＬとしてＡｌＡｓを７１４．７Åの厚さに積層し、スペーサ層ＳとしてＡｌ_０．２ＧａＡｓを６１７．５Åの厚さに積層した。

図７に示すように、第１実施例のＤＢＭ３３は、８０８ｎｍの波長及び９２０ｎｍの波長でほぼ１００％に近い反射度を有する。また、図８のグラフから分かるように、本発明によってポンプビームを再活用した場合には、ポンプビームを再活用していない場合より出力パワーが向上する。例えば、入力パワーが２０Ｗである場合、出力は、従来に比べて３０％以上向上しうる。また、従来に比べて、入力と出力との関係をさらに線形的に維持できる。

図９及び図１０は、ポンプビームの波長が８０８ｎｍであり、信号光の波長が１０６０ｎｍである第２実施例であり、ＤＢＭ３３の波長による反射度の変化及びレーザの出力増加をそれぞれ例示的に示すグラフである。第２実施例の場合、前述した構造式のうち、［（ＬＨ）^Ｄ１（ＨＬ）^Ｄ２］^Ｎを利用してＤＢＭ３３を構成した。ここで、Ｄ１＝４、Ｄ２＝４、Ｎ＝９であり、高屈折率半導体層ＨとしてＡｌ_０．２ＧａＡｓを６６８Åの厚さに積層し、低屈折率半導体層ＬとしてＡｌＡｓを７６９Åの厚さに積層した。

図９に示すように、第２実施例のＤＢＭ３３は、８０８ｎｍの波長及び１０６０ｎｍの波長でほぼ１００％に近い反射度を有する。また、図１０のグラフから分かるように、本発明によってポンプビームを再活用した場合には、ポンプビームを再活用していない場合より出力パワーが向上する。例えば、ポンプビームを再活用していない従来のレーザで活性層内の量子ウェル数が１５個である場合の出力と、本発明によってポンプビームを再活用するレーザで量子ウェル数が７個である場合の出力とがほぼ同じであるということが分かる。また、本発明によってポンプビームを再活用するレーザで量子ウェル数が１１個である場合には、ポンプビームを再活用していない従来のレーザで量子ウェル数が１５個である場合より、１０％以上向上した出力を得ることができる。

本発明は、面発光レーザなどの製造、特に、ＶＥＣＳＥＬの製造に利用されうる。

従来の前方光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬの構造を概略的に示す図面である。従来の後方光ポンピング方式のＶＥＣＳＥＬの構造を概略的に図面である。従来のＶＥＣＳＥＬで使用されるＤＢＲ層の波長による反射度の変化を例示的に示すグラフである。ＤＢＭを使用して、ポンプビームの再活用の可能な本発明に係るＶＥＣＳＥＬの構造を概略的に示す図面である。本発明に係るＶＥＣＳＥＬの活性層及びＤＢＭの例示的な構造を示す図面である。本発明に係るＶＥＣＳＥＬでポンプビームの再活用によるポンプビーム吸収の増加効果を例示的に示すグラフである。本発明の第１実施形態に係るＤＢＭの波長による反射度の変化を例示的に示すグラフである。本発明の第１実施形態に係るＶＥＣＳＥＬの出力増加を例示的に示すグラフである。本発明の第２実施形態に係るＤＢＭの波長による反射度の変化を例示的に示すグラフである。本発明の第２実施形態に係るＶＥＣＳＥＬの出力増加を例示的に示すグラフである。

符号の説明

３１ヒートシンク、
３２ＧａＡｓ基板、
３３ＤＢＭ、
３４活性層、
３５ポンプレーザ、
３７外部ミラー、
３８ＳＨＧ結晶、
λ_１ポンプビーム、
λ_２信号光の波長。

Claims

所定の波長を有する信号光を放出する活性層と、
前記活性層の上面と離隔されて対向するものであって、前記活性層で発生した信号光の一部は透過させて外部に出力し、一部は、活性層に反射する外部ミラーと、
前記活性層を励起させるためのポンプビームを前記活性層の上面に向って放出するポンプレーザと、
前記活性層の下面と接するものであって、前記活性層で発生した信号光と前記活性層で吸収されずに透過されたポンプビームとを何れも反射できる多重帯域反射器と、
を備えることを特徴とする外部共振器型面発光レーザ。
前記多重帯域反射器は、信号光の波長及びポンプビームの波長に対して最も高い反射率を有することを特徴とする請求項１に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記多重帯域反射器は、信号光の波長及びポンプビームの波長に対して少なくとも３０％の反射度を有することを特徴とする請求項２に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記多重帯域反射器により反射された信号光は、前記多重帯域反射器と外部ミラーとの間で共振し、前記多重帯域反射器により反射されたポンプビームは、前記活性層で再吸収されることを特徴とする請求項３に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記多重帯域反射器は、屈折率の相対的に高い高屈折率半導体層Ｈ、屈折率の相対的に低い低屈折率半導体層Ｌ、及びスペーサ層Ｓを所定の順序によって反復積層することによって形成された複数層構造の半導体分散ブラッグ反射器であることを特徴とする請求項３に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記スペーサ層Ｓは、高屈折率半導体層Ｈ及び低屈折率半導体層Ｌのうち何れか一つと同じ材料からなることを特徴とする請求項５に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記スペーサ層Ｓの一つの厚さＴは、（λ／４）×Ｍ×０．５≦Ｔ≦（λ／４）×Ｍ×１．５であり、ここでＭは、１以上の自然数であり、λは、信号光の波長及びポンプビームの波長の平均値であることを特徴とする請求項６に記載の外部共振器型面発光レーザ素子。
前記多重帯域反射器の複数層構造は、［（ＨＬ）^ＤＳ］^Ｎまたは［（ＬＨ）^ＤＳ］^Ｎの形態であり、ここで、Ｄ及びＮは、１以上１００以下の自然数であることを特徴とする請求項６に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記多重帯域反射器は、屈折率の相対的に高い高屈折率半導体層Ｈと、屈折率の相対的に低い低屈折率半導体層Ｌとを所定の順序によって反復積層することによって形成された複数層構造の半導体分散ブラッグ反射器であることを特徴とする請求項３に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記多重帯域反射器の複数層構造は、［（２Ｈ）^Ｄ１（ＬＨ）^Ｄ２（２Ｌ）^Ｄ３（ＬＨ）^Ｄ４］^Ｎまたは［（２Ｌ）^Ｄ１（ＨＬ）^Ｄ２（２Ｈ）^Ｄ３（ＨＬ）^Ｄ４］^Ｎの形態であり、ここで、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、及びＮは、１以上１００以下の自然数であることを特徴とする請求項９に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記多重帯域反射器の複数層構造は、［（ＬＨ）^Ｄ１（ＨＬ）^Ｄ２］^Ｎまたは［（ＨＬ）^Ｄ１（ＬＨ）^Ｄ２］^Ｎの形態であり、ここで、Ｄ１、Ｄ２、及びＮは、１以上１００以下の自然数であることを特徴とする請求項９に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記それぞれの高屈折率半導体層Ｈ及び低屈折率半導体層Ｌの厚さは、λ／４であり、ここで、λは、信号光の波長及びポンプビームの波長の平均値であることを特徴とする請求項５ないし請求項１１のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ素子。
前記高屈折率半導体層Ｈ及び低屈折率半導体層Ｌは、それぞれＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）及びＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）であり、ここで、ｘ＜ｙであることを特徴とする請求項５ないし請求項１１のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記活性層は、信号光を生成する複数の量子ウェル層と前記複数の量子ウェル層との間に形成された複数の障壁層を備え、
それぞれの量子ウェル層は、前記外部ミラーと多重帯域反射器との間で信号光が共振して発生する正常波のアンチノードに位置することを特徴とする請求項１ないし請求項１１のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記多重帯域反射器の下面に配置されたものであって、前記活性層で発生する熱を発散するためのヒートシンクをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記活性層の上面に配置されたものであって、前記活性層を冷却させるための透光性熱拡散素子をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記透光性熱拡散素子は、ダイアモンド、ＳｉＣ、ＡｌＮ、及びＧａＮを含む群から選択された少なくともいずれか一つの材料からなることを特徴とする請求項１６に記載の外部共振器型面発光レーザ。
前記活性層から放出された信号光の周波数を２倍にするＳＨＧ結晶は、前記活性層と外部ミラーとの間により配置されたことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。