JP2007049144A - 高出力垂直外部共振器型の面発光レーザ - Google Patents

高出力垂直外部共振器型の面発光レーザ Download PDF

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Abstract

【課題】高出力垂直外部共振器型の面発光レーザを提供する。
【解決手段】基板１１０上に形成された下部ＤＢＲミラー１２０と、下部ＤＢＲミラー上に形成されたＲＰＧ層１３０と、ＲＰＧ層上に形成されたキャッピング層１４０と、キャッピング層の表面にポンプ光を照射する光学ポンプ１６０と、下部ＤＢＲミラーに対向して外部に設置される外部共振ミラー１７０と、を備え、ＲＰＧ層は、定常波の節位置に周期的に設けられるものであって、ポンプ光のバンドギャップより大きいエネルギーバンドギャップ幅を有する物質から形成された第１バリア層１３２と、第１バリア層の間に介在するものであって、ＩｎＧａＡｓ物質から形成される複数の量子ウェル層１３６ａ及びそれぞれの量子ウェル層の上下部に設けられる第２バリア層１３６ｂを備える利得層１３６と、を備えるＶＥＣＳＥＬ素子である。
【選択図】図４

Description

本発明は、垂直外部共振器型の面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）素子に係り、より詳細には、量子ウェル層での利得効率が増大してレーザ効率が向上するように、その構造が改善されたＶＥＣＳＥＬに関する。
垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、非常に狭いスペクトルの単一縦モード発振をするだけでなく、ビームの放射角が小さくて接続効率が高く、面発光の構造上、他の装置の集積が容易であるという特徴があって、ポンプ光源(ＰｕｍＰＬＤ)に適している。
しかし、従来のＶＣＳＥＬにおいて、通常の単一横モード動作のためには、発振領域の面積は１０μｍ以下でなければならない。この面積を満たしていたとしても、光出力の増加による熱的レンズ効果などの影響によって、単一横モード状態から多重モード状態に変わるため、単一横モードの最大出力は、一般的に５ｍＷを超えることができない。
前述したＶＣＳＥＬの長所を生かし、かつ高出力動作を具現するために提示された新しい装置がＶＥＣＳＥＬである。前記ＶＥＣＳＥＬは、上部反射層(Ｕｐｐｅｒ ＤＢＲ)を外部反射装置(Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｍｉｒｒｏｒ)に代替することによって、利得領域を増大させることができるので、１００ｍＷ以上の出力を得ることができる。最近では、面発光レーザが側面発光レーザに比べて利得体積が小さく十分な利得が得難いという短所を最大限に補完するために、周期的にＱＷ(Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）が配置される周期的利得構造のＶＥＣＳＥＬ素子が開発された。また、電気的ポンピングでは大きい面積に均一なキャリア注入をするのに限界があるため、高出力を得るために、光学的ポンピングを通じて広い面積を均一にポンピングする構造のＶＥＣＳＥＬ素子が開発された。
図１は、従来の９２０ｎｍＶＥＣＳＥＬ素子の概略的な断面図である。
図１を参照すれば、従来のＶＥＣＳＥＬは、基板１０、前記基板１０上に順次に形成されたＤＢＲミラー２０、多重量子ウェル(ＭＱＷ)活性領域３０、及びキャッピング層５２を備え、ポンプ光を供給する光学ポンプ６０、及び前記ＤＢＲミラー２０に対向して外部に設置される外部共振ミラー７０を備える。前記ＤＢＲミラー２０は、繰り返して積層された低屈折率層２０ａと高屈折率層２０ｂとを備え、前記ＭＱＷ活性領域３０は、繰り返して積層されたＧａＡｓバリア層３０ａとＩｎＧａＡｓ量子ウェル(ＱＷ)層３０ｂとを備える。
図２は、図１のＶＥＣＳＥＬ構造のエネルギーバンドダイヤグラムの概略図であり、図３は、図１のＶＥＣＳＥＬ構造のポンピングパワーの増加によるＰＬ(ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ)強度変化を示すグラフである。
図２及び図３を共に参照すれば、ポンピングパワーが増加することによって、バリア領域で電子−正孔の再結合がＩｎＧａＡｓ ＱＷによる再結合より優勢であることが観察できる。したがって、ノイズ光が前記ＶＥＣＳＥＬ素子から得ようとする９２０ｎｍ波長のレーザ光と混在して発生するので、９２０ｎｍ ＶＥＣＳＥＬ素子のレーザ効率が低下しうる。したがって、レーザ効率が向上できる構造を有するＶＥＣＳＥＬ素子の開発が要求されている。
本発明が達成しようとする技術的課題は、前記従来技術の問題点を改善するためのものであって、量子ウェル層での利得効率が増大してレーザ効率が向上するように、その構造が改善された垂直外部共振器型の面発光レーザを提供するところにある。
本発明によるＶＥＣＳＥＬ素子は、基板上に形成された下部ＤＢＲミラーと、前記下部ＤＢＲミラー上に形成されたＲＰＧ層と、前記ＲＰＧ層上に形成されたキャッピング層と、前記キャッピング層の表面にポンプ光を照射する光学ポンプと、前記下部ＤＢＲミラーに対向して外部に設置される外部共振ミラーと、を備え、前記ＲＰＧ層は、定常波の節位置に周期的に設けられるものであって、前記ポンプ光のバンドギャップより大きいエネルギーバンドギャップ幅を有する物質から形成された第１バリア層と、前記第１バリア層の間に介在するものであって、ＩｎＧａＡｓ物質から形成される複数の量子ウェル層及び前記それぞれの量子ウェル層の上下部に設けられる第２バリア層を備える利得層と、を備える。
前記第１バリア層は、ＩｎＧａＡｓ物質より大きいエネルギーバンドギャップ幅を有する物質から形成される。望ましくは、前記第１バリア層は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ(０．０８≦ｘ≦１)物質層とＧａＡｓ(１−ｙ)Ｐｙ(０．１＜ｙ＜１)物質層のうち、少なくともいずれか一つを備え、このような前記第１バリア層は、組成勾配を有する複数層で形成されうる。前記第１バリア層は、２ｎｍないし４０ｎｍの厚さ範囲で形成されることが望ましい。
ここで、前記利得層は、定常波の波腹位置に設けられる。望ましくは、前記利得層は、２個ないし７個の量子ウェル層を備える多重量子ウェル層構造で設けられうる。
前記第２バリア層は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ(０≦ｘ≦０．０８)物質層とＧａＡｓ(１−ｙ)Ｐｙ(０≦y≦０．１)物質層のうち、少なくともいずれか一つを備え、ここで前記第２バリア層は、前記量子ウェル層のストレインを緩和させるストレイン補償層の機能を行うことができる。
前記下部ＤＢＲミラーは、ＡｌＡｓ物質層とＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ(０≦x＜１)物質層とが交互に積層されて形成され、前記キャッピング層は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ(０≦x＜１)物質から形成されうる。
このような構成を有する前記ＶＥＣＳＥＬ素子は、８７０ｎｍないし９５０ｎｍ波長範囲のレーザ光を放出する。
前記のような構成を有する本発明から、量子ウェル層での利得効率が増大してレーザ効率が向上したＶＥＣＳＥＬ素子を得ることができる。
本発明によれば、量子ウェル層での量子制限効果が上昇して、ＶＥＣＳＥＬ素子の利得効率及びレーザ効率が従来より向上できる。特に、このような構造のＶＥＣＳＥＬ素子から、特定波長のレーザ光、例えば８７０ｎｍないし９５０ｎｍ波長範囲のレーザ光を容易に得ることができ、８７０ｎｍ波長以下のノイズ光の発生を大幅に減らすことができる。
したがって、かかるＶＥＣＳＥＬ素子の構造において、量子ウェル層の光抽出効率が大きく向上し、前記ＶＥＣＳＥＬ素子の光出力がさらに増加しうる。
以下、本発明によるＶＥＣＳＥＬ素子の望ましい実施形態を、添付された図面を参照して詳細に説明する。この過程で図面に示された層及び領域などの厚さは、明細書の明確性のために誇張して図示されている。
図４は本発明の望ましい実施形態によるＶＥＣＳＥＬ素子の概略的な断面図である。
図４を参照すれば、本発明によるＶＥＣＳＥＬ素子は、ＧａＡｓ基板１１０上に順次に積層された下部ＤＢＲミラー１２０、ＲＰＧ層１３０、キャッピング層１４０、前記キャッピング層１４０の表面にポンプ光を照射する光学ポンプ１６０、及び前記下部ＤＢＲミラー１２０に対向して外部に設置される外部共振ミラー１７０を備える。前記実施形態において、前記ＲＰＧ層１３０は、定常波の節位置に周期的に設けられる第１バリア層１３２と、前記第１バリア層１３２の間に介在する利得層１３６とを備えることを特徴とし、特に、前記第１バリア層１３２は、前記ポンプ光のバンドギャップより大きいバンドギャップ幅を有する物質から形成されることを特徴とする。さらに、前記第１バリア層１３２は、ＩｎＧａＡｓ物質より大きいバンドギャップ幅を有する物質から形成されることが望ましい。例えば、前記第１バリア層１３２は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ(０．０８≦ｘ≦１)物質層またはＧａＡｓ(１−ｙ)Ｐｙ(０．１＜ｙ＜１)物質層を備えるか、これらの二つの物質層のいずれをも備えてもよい。望ましくは、前記第１バリア層１３２は、組成勾配を有する複数層で形成されることができ、これらは、２ｎｍないし４０ｎｍの厚さ範囲で形成されることが望ましい。
前記利得層１３６は、ＩｎＧａＡｓ物質から形成される複数の量子ウェル層(ＱＷ)１３６ａと、前記それぞれの量子ウェル層１３６ａの上下部に設けられる第２バリア層１３６ｂとを備え、定常波の波腹位置に設けられる。望ましくは、前記利得層１３６は、２個ないし７個の量子ウェル層１３６ａを備える多重量子ウェル層構造で設けられ、このような多重量子ウェル層構造は、ＶＥＣＳＥＬ素子の光抽出効率をさらに増大させることができる。
前記第２バリア層１３６ｂは、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ(０≦ｘ≦０．０８)物質層とＧａＡｓ(１−ｙ)Ｐｙ(０≦y≦０．１)物質層のうち、少なくともいずれか一つを備え、このような第２バリア層１３６ｂは、前記量子ウェル層１３６ａのストレインを緩和させるストレイン補償層の機能を遂行できるように、その厚さが制御されうる。
前記下部ＤＢＲミラー１２０は、ＡｌＡｓ物質層とＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ(０≦x＜１)物質層とが交互に積層されて形成され、前記キャッピング層１４０は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ(０≦x＜１)物質から形成されうる。
前記のような構成を有する本発明によるＶＥＣＳＥＬ素子において、前記第１バリア層１３２が量子ウェル層１３６ａの量子制限効果を上昇させ、したがって、前記量子ウェル層１３６ａでの光抽出効率が向上できる。特に、前記第１バリア層１３２は、エネルギーバンドギャップ幅の大きい物質から形成されるため、第１バリア層１３２内で電子−正孔の再結合が発生し難い。従来のバリア領域で電子−正孔の再結合によって、８７０ｎｍ以下の波長を有するノイズ光が発生して問題となったが、ＲＰＧ層１３０内にこのような第１バリア層１３２を介在することによって、電子−正孔の再結合発生を抑制でき、したがって、ＶＥＣＳＥＬ素子から８７０ｎｍ以下の波長を有するノイズ光の発生を減らすことができる。このような構造のＶＥＣＳＥＬ素子は、８７０ｎｍないし９５０ｎｍ波長範囲を有する優れた特性のレーザ光を放出できる。また、本発明のＶＥＣＳＥＬ素子において、前記それぞれの利得層１３６は、多重量子ウェル層構造で設けられるので、ＶＥＣＳＥＬ素子の光抽出効率がさらに増大できる。
図５は、図４のＶＥＣＳＥＬ構造におけるエネルギーバンド図であり、図６は、図４のＶＥＣＳＥＬ構造におけるポンピングパワーの増加によるＰＬ強度変化を示すグラフである。前記図５及び図６を共に参照すれば、ポンピングパワーが増加することによって、ＩｎＧａＡｓ量子ウェル層で発生する光量が大きく増加することが分かる。
下記の表１は、本発明の一実施形態によるＶＥＣＳＥＬ構造において、それぞれの積層物の種類、組成及び厚さを理解し易く示したものである。
Figure 2007049144
このような本発明の理解を助けるために、いくつかの模範的な実施形態が説明され、添付された図面に示されたが、このような実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、これを制限しないという点と、本発明は、図示及び説明された構造と配列に限定されないという点とが理解されなければならない。これは、多様な他の修正が当業者に可能であるためである。
本発明は、垂直共振器型の面発光レーザ関連の技術分野に好適に用いられる。
従来の９２０ｎｍ ＶＥＣＳＥＬ素子の概略的な断面図である。 図１のＶＥＣＳＥＬ構造におけるエネルギーバンド図である。 図１のＶＥＣＳＥＬ構造におけるポンピングパワーの増加によるＰＬ強度変化を示すグラフである。 本発明の望ましい実施形態によるＶＥＣＳＥＬ素子の概略的な断面図である。 図４のＶＥＣＳＥＬ構造におけるエネルギーバンド図である。 図４のＶＥＣＳＥＬ構造におけるポンピングパワーの増加によるＰＬ強度変化を示すグラフである。
符号の説明
１１０ ＧａＡｓ基板
１２０ 下部ＤＢＲミラー
１３０ ＲＰＧ層
１３２ 第１バリア層
１３６ 利得層
１３６ａ 量子ウェル層
１３６ｂ 第２バリア層
１４０ キャッピング層
１６０ 光学ポンプ
１７０ 外部共振ミラー

Claims (12)

  1. 基板上に形成された下部ＤＢＲミラーと、
    前記下部ＤＢＲミラー上に形成されたＲＰＧ層と、
    前記ＲＰＧ層上に形成されたキャッピング層と、
    前記キャッピング層の表面にポンプ光を照射する光学ポンプと、
    前記下部ＤＢＲミラーに対向して外部に設置される外部共振ミラーと、を備え、
    前記ＲＰＧ層は、
    定常波の節位置に周期的に設けられるものであって、前記ポンプ光のバンドギャップより大きいエネルギーバンドギャップ幅を有する物質から形成された第１バリア層と、
    前記第１バリア層の間に介在するものであって、ＩｎＧａＡｓ物質から形成される複数の量子ウェル層及び前記それぞれの量子ウェル層の上下部に設けられる第２バリア層を備える利得層と、を備えることを特徴とするＶＥＣＳＥＬ素子。
  2. 前記利得層は、定常波の波腹位置に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
  3. 前記第１バリア層は、ＩｎＧａＡｓ物質より大きいエネルギーバンドギャップ幅を有する物質から形成されたことを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
  4. 前記第１バリア層は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ(０．０８≦ｘ≦１)物質層とＧａＡｓ(１−ｙ)Ｐｙ(０．１＜ｙ＜１)物質層のうち、少なくともいずれか一つを備えることを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
  5. 前記第１バリア層は、組成勾配を有する複数層で形成されたことを特徴とする請求項４に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
  6. 前記第１バリア層は、２ｎｍないし４０ｎｍの厚さ範囲で形成されたことを特徴とする請求項４に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
  7. 前記利得層は、２個ないし７個の量子ウェル層を備える多重量子ウェル層構造で設けられたことを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
  8. 前記第２バリア層は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ(０≦ｘ≦０．０８)物質層とＧａＡｓ(１−ｙ)Ｐｙ(０≦y≦０．１)物質層のうち、少なくともいずれか一つを備えることを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
  9. 前記第２バリア層は、前記量子ウェル層のストレインを緩和させるストレイン補償層であることを特徴とする請求項８に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
  10. 前記ＶＥＣＳＥＬ素子は、８７０ｎｍないし９５０ｎｍ波長範囲のレーザ光を放出することを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
  11. 前記下部ＤＢＲミラーは、ＡｌＡｓ物質層とＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ(０≦x＜１)物質層とが交互に積層されて形成されたことを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
  12. 前記キャッピング層は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ(０≦x＜１)物質から形成されたことを特徴とする請求項１に記載のＶＥＣＳＥＬ素子。
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