JP2007511081A - 光学的にポンピングされる半導体レーザー装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、面発光型の垂直発光領域（１）と、該垂直発光領域（１）の光学的ポンピングのための少なくとも１つのモノリシックに集積化されたポンプ放射源（２）とを有している光学的にポンピングされる半導体レーザー装置に関している。この半導体デバイスは、ポンプ放射が異なる照射方向を有する部分放射束の形態で垂直発光領域（１）に入射し、それによってポンプ放射が基本モードの励起に適した垂直発光領域（１）の基本モードと一部重なるように、少なくとも１つのポンプ放射源（２）が配向されて配設されていることを特徴としている。本発明は、ポンプ放射の空間的強度分布が基本モードのプロファイルにマッチしていると、垂直発光領域（１）の基本モードが有利に励起されることに基づいている。

Description

本発明は、面発光型の垂直発光領域と、垂直発光領域の光学的ポンピングのための少なくとも１つのモノリシックに集積されたポンプ放射源とを備えている光学的にポンピングされる半導体レーザー装置に関している

この種のレーザー装置は、例えば国際公開第０１/９３３８６号パンフレット及び国際公開第０２/０６７３９３号パンフレットから公知であり、それらの内容は参照によって本願明細書に取り入れられる。このパンフレットには、その垂直発光領域の活性素子が量子井戸構造によって形成され、境界を接する端面発光型半導体レーザーによって光学的にポンピングされる面発光型の半導体レーザー装置が開示されている。ポンプ放射源と量子井戸構造は、共通の基板上にエピタキシャルに成長されている。そのようにモノリシックに集積化された配置構成は、省スペースで低コストな製造が可能である。さらに製造プロセスによってポンプ放射源と垂直発光領域相互の正確な位置付けが保証される。

冒頭に述べたような形式の光学的にポンピングされる半導体レーザー装置は高い出力を可能にする。なぜなら一方では電気的ポンピングにおける電荷担体注入の際の抵抗損失、損失出力源が、また他方では光学的吸収損失が、空間的に分離されているからである。同時にそれらは有利な丸い放射プロファイルを有しており、例えば端面発光型レーザーのように楕円形や線状の放射プロファイルは有していない。

良好な放射品質は垂直発光領域の基本モードＴＥＭ_００のレーザー放射のもとで生じる。

発明が解決しようとする課題
それ故に本発明の課題は、放射品質の良好なレーザー放射、有利には基本モードの放射が発光される、少なくとも１つのモノリシックに集積化されたポンプ放射源を備えた光学的にポンピングされる半導体レーザー装置を提供することである。

課題を解決するための手段
前記課題は、請求項１の特徴部分に記載された光学的にポンピングされる半導体レーザー装置によって解決される。本発明の別の有利な構成例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
本発明によれば、少なくとも１つのポンプ放射源が次のように配向されて配設される。すなわち、ポンプ放射が異なる照射方向を有する部分放射束の形態で垂直発光領域に入射し、それによってポンプ放射が基本モードの励起に適した垂直発光領域の基本モードとの重なりを有するように、配向されて配設されている。

本発明の解決手段の背景にある基本的考察は、垂直発光領域におけるポンプ放射の空間的強度分布が基本モードのプロファイルにマッチしていると、垂直発光領域の望ましい基本モードの放射が発せられることである。典型的には垂直発光領域の基準面は、矩形（四角形、六角形など）若しくは円形である。基本モードにおいては垂直発光領域の基準面の対称性が反映される。それ故に、基本モードの励起に対して有利には、ポンプ放射が異なる照射方向を有する部分放射束の形態で垂直発光領域に入力結合される。これによりポンプ放射の空間強度分布は、基本モードのプロファイルにマッチし得る。異なる照射方向を有する部分放射束として次のような入力結合も可能である。すなわち、ポンプ放射が収束的に垂直発光領域に入射するような入力結合である。

本発明による半導体レーザー装置の有利な実施形態によれば、部分放射束は異なるメイン照射方向を有する様々なポンプ放射源から発せられる。

この場合特に有利には、ポンプ放射源は増幅領域を含んだ閉成された共振器を備えた半導体レーザー素子である。

また代替的に前記ポンプ放射源は、端面発光型の半導体レーザーであってもよい。

別の有利な実施形態によれば、ポンプ放射源は、少なくとも１つの湾曲型共振器端部ミラーを備えた共振器を有している。

本発明の別の有利な実施形態によれば、前記ポンプ放射源は、２つの直線状の共振器端部ミラーからなっている、相互に直角に配設された少なくとも１つの共振器端部ミラー装置を備えたそれぞれ１つの共振器を有している。

特に有利には、前記２つの直線状の共振器端部ミラーは、共振器におけるポンプ放射が当該ミラーにおいて全反射を被るように配設されている。

さらに別の実施形態によれば、１つまたは複数のポンプ放射源が、２つの共振器端部ミラーと少なくとも１つの内部共振器ミラーを備えた褶曲型共振器を有している。

さらに特に有利には、少なくとも１つの内部共振器ミラーは、共振器におけるポンプ放射が当該ミラーにおいて全反射を被るように配設されている。

この場合前記共振器端部ミラーは、屈折される結晶面であり、前記内部共振器ミラーはエッチングされたミラーである。

本発明の別の有利な改善例によれば、前記部分放射束がポンプ放射源から生じ、その放射は垂直発光領域を通って種々異なる方向に多重に案内される。

さらに別の実施形態によれば、前記ポンプ放射源は、垂直発光領域のメイン放射方向において放物線形状の湾曲したエッチングミラーからなる、共振器端部ミラーを備えた共振器を有しており、この場合垂直発光領域は、放物線形状の湾曲したエッチングミラーの焦点に配設されている。

また代替え的に前記ポンプ放射源は、半導体リングレーザーであってもよい。

有利には前記半導体リングレーザーの共振器は、少なくとも３つの内部共振器ミラーを有している。

特に有利には、前記少なくとも３つの内部共振器ミラーは、共振器におけるポンプ放射が当該ミラーにおいて全反射を被るように配設されている。

本発明のさらに別の有利な実施形態によれば、少なくとも１つのポンプ放射源から垂直発光領域への移行部が湾曲して屈折率変化に優れており、それによってポンプ放射が当該垂直発光領域において収束される。

本発明による半導体レーザー装置のさらなる利点や有利な実施形態及び改善形態は以下の明細書において図１〜図６に基づいて詳細に説明される実施例で明らかにされる。

この場合図１は、本発明による半導体レーザー装置の第１実施例の概略的平面図を示したものであり、
図２は、本発明による半導体レーザー装置の第２実施例の概略的平面図を示したものであり、
図３は、本発明による半導体レーザー装置の第３実施例の概略的平面図を示したものであり、
図４は、本発明による半導体レーザー装置の第４実施例の概略的平面図を示したものであり、
図５は、本発明による半導体レーザー装置の第５実施例の概略的平面図を示したものであり、
図６は、本発明による半導体レーザー装置の第６実施例の概略的平面図を示したものである。

なおこれらの図面は概略図であって、特に個々の構成要素のサイズ比は厳密に縮尺通りに示されているわけではない。また種々異なる実施例における同じ構成要素若しくは同じ作用の構成要素にはすべての図面において同じ符号が付されている。

実施例
図１の概略的平面図に示されている本発明による光学的にポンピングされる半導体レーザー装置の第１実施例は、中央の垂直発光領域１と、該垂直発光領域１に交差する２つのポンプ放射源２を有している。このポンプ放射源２は、外方に向かう方向で、湾曲型共振器端部ミラー３によって仕切られている。

この実施例を実現するため、若しくは当該出願の枠内で開示される半導体レーザー装置のさらに別の実施例のうちの１つを実現するために適した半導体層列は、例えば冒頭に述べた公知刊行物である国際公開第０１/９３３８６号パンフレットまたは国際公開第０２/０６７３９３号パンフレット中のものであってもよい。それにより例えば垂直発光領域１は、増強された活性領域としての量子井戸構造を有し得る。この場合本願の枠内での量子井戸構造の命名には次のような構造が含まれるものとする。すなわち、電荷担体が閉込め（confinement）によってそれらのエネルギー状態の量子化を被るような構造である。特にこの量子井戸構造の意味には、量子化のディメンションに関するデータは何も含まれない。それにより量子井戸構造とは、とりわけ量子槽（Quantentrog）、量子線（Quantendraht）、量子点（Quantenpunkt）やこれらの構造のあらゆる組み合わせが含まれる。

湾曲した共振器端部ミラー３は、モノリシックに集積化されたポンプレーザー２の場合にはエッチングプロセスによって任意の形態で及び任意の曲率変形で製造可能である。また所望の反射率は、さらなる製造プロセスでばあいによって金属化部の被着によって得られる。このようにして反射器端部ミラー３の適切な形態づくりのもとで理想的なガウス状の横方向強度プロファイルを有する安定した共振器内部ポンプ放射モードの形成に優れたポンプ放射源２のためのレーザー共振器が形成される。

共振器内の放射案内に起因して複数の放射束が収束的に垂直発光領域１内に入射する。このことは結果的に垂直発光領域１の中央への強度の集中に結びつく。ポンプ放射のガウス状の横方向強度プロファイルと共にポンプ放射の空間分布が垂直発光領域１内で生じる。これは垂直発光領域１の基本モードの良好な近似に相応する。

この場合有利には、垂直発光領域１内のポンプ放射の吸収係数が次のように設定される。すなわち垂直発光領域１の周縁領域のポンプ放射の吸収がそれほど強まらないように設定され、それによってもはや垂直発光領域１の中央まではポンプ放射が広がらない。この吸収係数の適応化は、垂直発光領域１から求められた放射の波長と比較してポンプ放射の波長の適切な選択によって行うことが可能である。それらも垂直発光領域１の光学的に活性な構造の材料組成とポンプ放射源２とによって調整することができる。この場合良好なポンプ効率を達成するためにポンプ放射は、垂直発光領域１から発せられる放射よりも短い波長を有する。

図２に示されている実施例では、直線状の共振器端部ミラー４と湾曲型の共振器端部ミラー３を有しているポンプ放射源２が設けられている。この直線状の共振器端部ミラー４は、理想的な分裂結晶面である。湾曲型の共振器端部ミラー３は、エッチングプロセスによって作成されている。これら２つのミラー面は以下に述べるような金属化部を備えていてもよい。有利には湾曲型共振器端部ミラー３は放物状の形態を有しており、その対称軸はポンプ放射源２への方向で直線状共振器端部ミラー４に対して直角に延在する。垂直発光領域１の領域は、当該実施例では円形に構成されており、放物状共振器端部ミラーの焦点に配置されている。それによりすべての方向からのポンプ放射が均質に垂直発光領域１に入射する。この結果として垂直発光領域１内では半径方向で対称なポンプ放射強度の分布が達成される。これにより垂直発光領域１の半径方向で対称な基本モードが理想的にポンピングされる。

図３に示されている本発明による半導体レーザー装置の第３実施例では、垂直発光領域１が当該垂直発光領域１内で交差している３つのポンプ放射源２によって取り囲まれている。この場合これらのポンプ放射源２のうち中央のものが線形な共振器によって抜きん出ている。この共振器は２つの直線状の共振器端部ミラー４によって仕切られている。２つのさらなるポンプ放射源２も同じようにそれぞれ２つの直線状の共振器端部ミラー４によって仕切られている。その上さらに付加的にそれぞれ２つの内部共振器ミラー５を有している。

図３に示されている配置構成では、内部共振器ミラー５における共振器内部の放射の入射角ないしは当接角が４５°になる。図示の形態の半導体レーザー装置に対して典型的に用いられているような材料の屈折率のもとでは、この角度は、すでに内部共振器ミラー５の境界面において全反射を生じさせる。この内部共振器ミラー５は、例えばエッチングプロセスによって製造可能である。その場合は鏡面化のための付加的な金属化が省略可能である。エッチングプロセスとして有利には、湿式若しくは乾式の化学的エッチング手法があげられる。また内部不動態化層、例えば窒化珪素がエッチング面の保護と当該面の化学的な長期安定性向上のために被着されてもよい。特に適切な製造過程においては、エッチング及び／又は金属化及び／又は不動態化層の被着などがウエハ結合部に施されてもよい。それに続いて半導体レーザー装置は、カッティング若しくは折り曲げによって相互に分離される。

有利には図示の配置構成において、異なる照射方向を有する複数のポンプ放射源２が垂直発光領域１において交差し、共振器がこれらのポンプ放射源のすべてを共振器端部ミラー４によって仕切っている。これらの共振器端部ミラー４は分裂結晶面からなっており、それ故高い品質を備えている。この目的のために必然的に挿入される内部共振器ミラー５は、全反射に基づいて不所望な付加的共振器ロスは引き起こさない。当該実施例中の四角形の垂直発光領域１は、もちろんその基準面にはその他の形態も有し得る。特にここでは６角形の基準面も考えられる。これはポンプ放射源２の放射を垂直発光領域１の一方の側でそれぞれ直角に入射させる。

図４には、本発明による半導体レーザー装置の第４実施例が示されている。この第４実施例では２つのポンプ放射源２が中央の垂直発光領域１において交差しており、それらは各側においてそれぞれ２つが相互に９０°の角度をなしており、直線状の共振器端部ミラー４によって仕切られている。

それによりそれぞれ２つの共振器端部ミラー４からなるこの配置構成は、再帰反射器におけるミラー装置に類似している。

当該実施例は、レーザー共振器の反射ロスを抑えるために図２との関係で説明した実施例に類似した形態で全反射を利用している。直線状の共振器端部ミラー４は、エッチングであってもよい。その場合は金属化が省かれるが、場合によっては不動態化のための保護層が設けられていてもよい。

図５に示されている実施例では、１つだけのポンプ放射源２が設けられており、これは３つの内部共振器ミラー５を備えた半導体リングレーザーとして構成されている。この共振器は、“８”の字状に描写されており、この場合の垂直発光領域１は、この“８”の字の交点において次のように配設されている。すなわち異なる２つの方向からの放射がこの垂直発光領域１を通って案内されるように配設されている。内部共振器ミラー５は、エッチングプロセスにおいて作成され得る。図示の配置構成では、共振器放射は内部共振器ミラー５に２２．５°の角度で当接する。使用される半導体材料の屈折率に依存して当該の入射角のもとでも全反射が生じる。このケースでは、内部共振器ミラー５の面の鏡面化が省かれ、場合によってはこれが不動態化層のみを備えるだけでもよい。その他のケースでは不動態化層の代わりに反射コーティングとして金属化層が被着されてもよい。

ミラーのその他の数値ももちろん考えられ、これは特に、使用される半導体材料の屈折率に基づいて２２．５°の入射角（これは４つのミラーのもとで生じ得る）が全反射のための条件を満たすのに不十分である場合には有利となる。

図６に示されている本発明による半導体レーザー装置の第６実施例は、丸い垂直発光領域によって際だっている。この垂直発光領域１は、４つの側で垂直発光領域１にて交差する２つのポンプ放射源２によってポンピングされる。この垂直発光領域１とポンプ放射源２は、それらが異なる屈折率を有するように構成されている。このことは材料の選択によって行われてもよいし、あるいは１つの段が垂直発光領域１とポンプ放射源２の間の移行部においてエッチングされることによって行われてもよい。これは導波路のもとでは異なるインピーダンスにつながり、ひいては様々な効果の屈折率に結びつく。ポンプ放射源２から垂直発光領域１へのポンプ放射の移行の際にはポンプ放射が垂直発光領域１の中心方向への屈折を被る。このようにして良好な近似において半径方向で対称なポンプ放射強度分布が垂直発光領域１において達成される。これは基本モードの半径方向での対称性を反映し、それ故に有利に励起される。

これまでに述べてきた本発明の実施例の説明は、本発明の限定として理解されるべきものではない。それどころか本発明は以下の請求項で述べる特徴部分を備えた全ての装置にも関連するものである。

さらに本発明は、本願明細書に述べられている全ての特徴部分を含んでいる。また本発明は、それがたとえ以下の請求の範囲や明細書に明示的に記載されていなくとも、前述した特徴部分の組み合わせも含んでいることを述べておく。

本発明による半導体レーザー装置の第１実施例の概略的平面図 本発明による半導体レーザー装置の第２実施例の概略的平面図 本発明による半導体レーザー装置の第３実施例の概略的平面図 本発明による半導体レーザー装置の第４実施例の概略的平面図 本発明による半導体レーザー装置の第５実施例の概略的平面図 本発明による半導体レーザー装置の第６実施例の概略的平面図

Claims (16)

1. 光学的にポンピングされる半導体レーザー装置であって、
   面発光型の垂直発光領域（１）と、
   該垂直発光領域（１）の光学的ポンピングのための少なくとも１つのモノリシックに集積化されたポンプ放射源（２）とを有している形式のものにおいて、
   ポンプ放射が異なる照射方向を有する部分放射束の形態で垂直発光領域（１）に入射し、それによってポンプ放射が基本モードの励起に適した垂直発光領域（１）の基本モードと一部重なるように、少なくとも１つのポンプ放射源（２）が配向されて配設されていることを特徴とする半導体レーザー装置。
2. 前記部分放射束は、異なるメイン照射方向を有する様々なポンプ放射源（２）から発せられる、請求項１記載の半導体レーザー装置。
3. 前記ポンプ放射源（２）は、増幅領域を含んだ閉成された共振器を備えた半導体レーザーである、請求項２記載の半導体レーザー装置。
4. 前記ポンプ放射源（２）は、端面発光型の半導体レーザーである、請求項２記載の半導体レーザー装置。
5. 前記ポンプ放射源（２）は、少なくとも１つの湾曲型共振器端部ミラー（３）を備えたそれぞれ１つの共振器を有している、請求項２から４いずれか１項記載の半導体レーザー装置。
6. 前記ポンプ放射源（２）は、２つの直線状の共振器端部ミラー（４）からなっている、相互に直角に配設された少なくとも１つの共振器端部ミラー装置を備えたそれぞれ１つの共振器を有している、請求項２から４いずれか１項記載の半導体レーザー装置。
7. 前記２つの直線状の共振器端部ミラー（４）は、共振器におけるポンプ放射が当該ミラーにおいて全反射を被るように配設されている、請求項６記載の半導体レーザー装置。
8. １つまたは複数のポンプ放射源（２）が、２つの共振器端部ミラーと少なくとも１つの内部共振器ミラー（５）を備えた褶曲型共振器を有している、請求項２から４いずれか１項記載の半導体レーザー装置。
9. 少なくとも１つの内部共振器ミラー（５）は、共振器におけるポンプ放射が当該ミラーにおいて全反射を被るように配設されている、請求項８記載の半導体レーザー装置。
10. 前記共振器端部ミラーは、屈折する結晶面であり、前記内部共振器ミラー（５）はエッチングされたミラーである、請求項８または９記載の半導体レーザー装置。
11. 前記部分放射束はポンプ放射源（２）から生じ、その放射は垂直発光領域（１）を通って種々異なる方向に多重に案内される、請求項１記載の半導体レーザー装置。
12. 前記ポンプ放射源（２）は、垂直発光領域（１）のメイン放射方向において放物線形状の湾曲したエッチングミラーからなる、共振器端部ミラーを備えた共振器を有しており、この場合垂直発光領域（１）は、放物線形状の湾曲したエッチングミラーの焦点に配設されている、請求項１１記載の半導体レーザー装置。
13. 前記ポンプ放射源（２）は、半導体リングレーザーである、請求項１１記載の半導体レーザー装置。
14. 前記半導体リングレーザーの共振器は、少なくとも３つの内部共振器ミラー（５）を有している、請求項１３記載の半導体レーザー装置。
15. 前記少なくとも３つの内部共振器ミラー（５）は、共振器におけるポンプ放射が当該ミラーにおいて全反射を被るように配設されている、請求項１４記載の半導体レーザー装置。
16. 少なくとも１つのポンプ放射源（２）から垂直発光領域（１）への移行部が湾曲し、屈折率変化に優れており、それによってポンプ放射が当該垂直発光領域（１）において収束される、請求項１から１５いずれか１項記載の半導体レーザー装置。

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