JP2013197593A - 高反射率／帯域制限反射器を内蔵する光励起面発光レーザ - Google Patents

高反射率／帯域制限反射器を内蔵する光励起面発光レーザ Download PDF

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Abstract

【課題】高反射率を有する反射器であり、かつ中心レーザ放射波長の周囲の比較的狭い帯域に反射率帯域制限された反射器を内蔵する光励起レーザ構造を提供する。
【解決手段】中心レーザ波長の放射を放出するように構成された半導体利得領域と、利得領域の方へ向けて中心ポンプ波長のポンプ放射ビームを放出するように構成されたポンプ光源と、ポンプ放射ビーム内に配置した分布ブラッグ反射器を含む第１の反射器と、利得領域を第１の反射器とで挟むように配置した第２の反射器と、を含む。第１の反射器は、前記中心レーザ波長に中心がある約６０ｎｍ未満の帯域幅全域で約９０％よりも大きい反射率を有しており、また、第１の反射器は、前記中心ポンプ波長において約５０％未満の反射率を有する。場合によっては、反射器が３／４波長の分布ブラッグ反射器であってもよい。
【選択図】図１

Description

本開示は全体的に、半導体レーザ構造と、このようなレーザ構造を含む商品およびシステムと、このようなレーザ構造に関連する方法に関する。
本明細書で開示する実施形態は、高反射率を有する反射器であり、かつ中心レーザ放射波長の周囲の比較的狭い帯域に反射率帯域制限された反射器を内蔵する光励起レーザ構造を含む。
いくつかの実施形態は、中心レーザ波長の放射を放出するように構成された半導体利得領域を含むレーザ構造を含んでいる。光ポンプ光源が、利得領域の方へ向けて中心ポンプ波長を有するポンプ放射ビームを放出するように構成されている。分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含む第１の反射器をポンプ放射ビーム内に配置してあり、第１の反射器は、中心レーザ波長に中心がある約６０ｎｍ未満の帯域幅全域で約９０％よりも大きい反射率を有している。また、第１の反射器は、中心ポンプ波長において約５０％未満の反射率を有している。レーザ構造は第２の反射器を含み、利得領域は第１の反射器と第２の反射器の間に配置されている。
第１の反射器は多くの層対を含んでいてもよく、各層対は第１の層と第２の層とを有し、第１の層の光学的厚さが中心レーザ波長の３／４であり、第２の層の光学的厚さが中心レーザ波長の３／４である。場合によっては、層対の個数が約６よりも大きい。
第１の反射器は、例えば、非エピタキシャル誘電材料の交代層、またはエピタキシャル成長した半導体材料の交代層などを含むことができる。
いくつかの実施態様では、第１の反射器が、異なる熱伝導率を有する複数の部分を有していてもよい。第１の反射器の第１の部分が第１の熱伝導率を有していてもよく、第１の反射器の第２の部分が第１の熱伝導率よりも小さい第２の熱伝導率を有していてもよい。例えば、第１の反射器の第１の部分はエピタキシャル成長した半導体の交代層を含んでいてもよく、第２の部分は非エピタキシャル誘電材料を含んでいてもよい。
いくつかの態様によれば、中心ポンプ放射波長が３７０〜５３０ｎｍの間にあり、中心レーザ波長が約３９０〜約５５０ｎｍの範囲内にある。ポンプ放射ビームが、第１の反射器の表面上に、第１の反射器の表面の法線に対して所定の角度で入射できる。例えば、いくつかの実施態様では、角度が約２５〜約３０度、または約３５〜約４０度であり、第１の反射器が、約４０５ｎｍのポンプ波長において約２５％未満の反射率を有している。場合によっては、ポンプ放射ビームが第１の反射器上に約４３度の角度で入射し、第１の反射器は約４４５ｎｍのポンプ波長において約２５％未満の反射率を有している。
レーザ利得領域はＩｎＧａＮ量子井戸層を含んでいてもよい。第２の反射器は、ピークポンプ波長とピークレーザ波長の両方に対して９０％よりも大きい反射率を有することができる。
いくつかの実施形態が、第１および第２の反射器の間に配置され、中心レーザ波長の放射を放出するように構成された半導体利得領域を含むレーザ構造を含んでいる。半導体利得領域は、利得領域の方へ向けて中心ポンプ波長のポンプ放射ビームを放出するように構成されたポンプ光源により光励起される。分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含む第１の反射器をヒートシンクに隣接して配置してあり、第１の反射器はヒートシンクからの距離によって異なる熱伝導率を有している。例えば、第１の反射器の第１の部分が第１の熱伝導率を有しており、第１の反射器の第２の部分が第１の部分の熱伝導率よりも小さい第２の熱伝導率を有しており、第２の部分よりも第１の部分の方が利得領域に近い。第１の部分はエピタキシャル成長した半導体材料の交代層を含んでいてもよく、第２の部分は非エピタキシャル誘電材料の交代層を含んでいてもよい。
いくつかの実施形態によれば、第１の面と第２の面とを有し、中心レーザ波長の放射を放出するように構成された半導体利得領域が、第１および第２の反射器の間に配置してある。ポンプ光源が、利得領域の方へ向けて中心ポンプ波長のポンプ放射ビームを放出するように構成されている。第１の反射器は、利得領域の第１の面に隣接して、ポンプ放射ビーム内に配置した分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。利得領域の第２の面に隣接して反射面が配置してあり、第２の反射器と反射面の間に空隙を有している。
空隙の厚さを調節するために位置決め要素を配置できる。ポンプ放射が複数のモードを含み、レーザ放射が単一のモードだけを有するように空隙を選択できる。場合によっては、反射面が、その上に利得領域をエピタキシャル成長させる基板残部の表面にもなる。
いくつかの実施形態が、第１および第２の反射器の間に配置した半導体利得領域を含むレーザを操作する方法を含んでいる。第１および第２の反射器が主要なレーザキャビティを形成して、反射面および第２の反射器が補助的な光キャビティを形成するように、反射面が利得領域に隣接して配置してある。所定の入力モード数を有するポンプ放射を放出するポンプ光源を操作して、利得領域を光励起する。レーザが１つ以上の選択された出力モードを出力するまで、反射面と第２の反射器の間の空隙を調節できる。入力モード数よりも少ない出力モード数をレーザが出力するまで、反射面と第２の反射器の間の空隙を調節できる。例えば、出力モード数がただ１つであるように空隙を調節してもよい。
図１は、高反射率／帯域制限（ＨＲ／ＢＬ）の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を内蔵する光励起垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の図である。 図２は、ポンプ放射ビームが半導体構造上に角度θ≠０で入射するようにポンプ光源および半導体構造が配置してあるＶＣＳＥＬ装置のための構造を示している。 図３は、ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲを内蔵する光励起垂直外部キャビティ面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）の図である。 図４は、ＧａＮ上に蒸着され、４６０ｎｍの中心波長用に設計された３／４波長の層厚さを有する８対のＳｉＯ２／ＴｉＯ２を含むＨＲ／ＢＬ ＤＢＲにおける、入射放射波長に対する反射率および透過率のシミュレーションプロットを示す図である。 図５は、４０５ｎｍのポンプ波長に対する（図４に関連して説明したような）ＳｉＯ２／ＴｉＯ２層を有する３／４波長ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲにおける、反射率および透過率の角度スペクトルのシミュレーションプロットを示す図である。 図６は、４４５ｎｍのポンプ波長に対する（図４に関連して説明したような）ＳｉＯ２／ＴｉＯ２層を有する３／４波長ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲにおける、反射率および透過率のシミュレーションプロットを示す図である。 図７は、さまざまな実験構造の予測反射率と、測定反射率とを比較する図である。 図８は、利得領域と反射器の間の小さい空隙を含むＶＥＣＳＥＬの図である。 図９は、図２に示すＶＣＳＥＬと同様の第１の実験レーザ構造により生成されるレーザ発振スペクトルを示す図である。 図１０は、第１の実験レーザ構造のＶＣＳＥＬの出力を示す図である。 図１１は、空隙を含んでいた図８に示すＶＥＣＳＥＬと同様の第２の実験レーザ構造により生成されるレーザ発振を明示する図である。 図１２は、可動外部ミラーと、空隙と、薄くされたＧａＮ残部と、エピタキシャル側面ＤＢＲと、を含むシステムのキャビティモードのシミュレーションを示す図である。 図１３は、利得領域の両面に配置した第１および第２の反射器を含むＶＣＳＥＬを示す図であり、第１の反射器は第１の部分と第２の部分とを有しており、第１の部分の熱伝導率が第２の部分の熱伝導率と異なっている。
それらのスペクトル的および空間的な光学レーザ発振特性の高い品質のために、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）および垂直外部キャビティ面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）（まとめてＶ（Ｅ）ＣＳＥＬと示す）が重要である。ＩＩＩ族窒化物材料系の範囲内で紫外（ＵＶ）発光、青色発光、および緑色発光を行うＶ（Ｅ）ＣＳＥＬを実現することは困難だがやりがいがある。本明細書で検討する実施形態が、近紫外〜青色スペクトル領域で放射するコンパクトで安価なＶ（Ｅ）ＣＳＥＬシステムを形成するためのＩＩＩ族窒化物材料に基づく構造を含んでいる。場合によっては、Ｖ（Ｅ）ＣＳＥＬシステムが、紫外線Ｃ範囲までの波長を実現するための周波数倍増要素を含んでいてもよい。
後述する実施形態は、光励起レーザシステムに組み込んだ新規な分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含んでいる。本明細書で検討するＤＢＲは、任意の種類の半導体レーザ、例えば、エッジ発光体または面発光体などといっしょに使用でき、それらは特に有用なＶＣＳＥＬまたはＶＥＣＳＥＬ設計である。本明細書で検討するＤＢＲ設計は、望ましいＶ（Ｅ）ＣＳＥＬレーザ波長に対する高反射率と、コンパクトで安価な半導体ポンプ光源に対する高透明度と、を提供する。いくつかの設計は、高反射率と、制限された反射率帯域幅とを有するＤＢＲを含んでいる。例えば、後述するいくつかのＤＢＲは、中心レーザ波長の約６０ｎｍ未満の反射率帯域幅内で約９０％よりも大きい反射率を有している。これらのＤＢＲは、ポンプ放射の中心波長において約５０％よりも大きい透過率を有している。場合によっては、ＤＢＲの反射率帯域幅を大幅に減少させて、ポンプ光源の選択が自由にできる３／４波長の厚いＤＢＲ層を用いて、レーザ波長の近くに制限される反射率帯域幅を有する高反射率ＤＢＲを製作する。高反射率／帯域制限（ＨＲ／ＢＬ）ＤＢＲを使用すると、集合発光波長を有する市販の高出力半導体ポンプ光源を、光励起レーザシステムに組み込むことが可能になるため、有用である可能性がある。
一般に、面発光レーザの短い利得媒質には高品質ミラーが必要になる。このような装置に使用されるＤＢＲは、レーザ波長において９０％よりも大きい、または９５％よりも大きい、または９９％よりもさらに大きい反射率を有することができる。ＤＢＲが導電性である必要はなく、誘電体ＤＢＲを使用できるため、Ｖ（Ｅ）ＣＳＥＬの光励起はＤＢＲ材料内の柔軟性の増加を可能にする。さらに、光励起は、主に利得領域内、例えば、量子井戸内での、ポンプ放射の吸収および電子正孔対の生成を促進でき、それにより、レーザ発振に対する閾値条件が緩和される。
コンパクトで安価なシステム内に光励起Ｖ（Ｅ）ＣＳＥＬを実現する場合、ポンプ光源の選択が重要である。４０５ｎｍおよび４４５ｎｍの波長領域内のＧａＮから作られた半導体レーザに基づく高光出力（例えば、最大１ワット）の光ポンプ光源が現在市販されている。しかしながら、これらのポンプ光源を使用するＶ（Ｅ）ＣＳＥＬには、比較的少ない材料層で高反射率を与える誘電体１／４波長ＤＢＲは最適ではなく、その理由は、１／４波長ＤＢＲが比較的広い反射率帯域幅を有しており、４０５ｎｍおよび４４５ｎｍ波長で反射するためである。
さまざまな材料系に基づくレーザに一般に適用できるが、後述する実施例は、紫外（ＵＶ）波長、青色波長、および緑色波長において放射するＩＩＩ族窒化物材料系に基づくＶ（Ｅ）ＣＳＥＬ用のＤＢＲの設計を含んでいる。提案するＤＢＲは、望ましいＶ（Ｅ）ＣＳＥＬレーザ波長に対する十分な反射率と、ポンプ光源に対する十分な透明度と、を提供する。ポンプ放射波長に対する十分な透過率に関連するレーザ波長における高反射率、例えば、９５％よりも大きい反射率などと、制限された反射率帯域幅と、の制約条件を、さまざまな材料と、層厚さと、を用いて実現できる。一実施態様では、ＤＢＲの反射率帯域幅を大幅に減少させて、ポンプ構造設計が自由にできる３／４波長の厚い材料層を用いて、高反射率／帯域制限（ＨＲ／ＢＬ）ＤＢＲを製作できる。３／４波長ＤＢＲに対して、ｉ番目のＤＢＲ層の厚さが下記の式で与えられる。

ここで、λｌはレーザ放射の中心（ピーク）波長であり、ｎ（λｌ）はレーザ放射の波長における層材料の屈折率である。
いくつかの実施態様では、ＤＢＲ層に使用される材料が、ＳｉＯ２およびＴｉＯ２などの、比較的大きい屈折率コントラストを有する誘電材料の組み合わせである。これらの大きな屈折率コントラスト材料の使用は、高反射率を実現するのに比較的少ない層を使用できることを意味する。また、より小さい屈折率コントラストを有する材料を使用することもできるが、高反射率を実現するのに、より多くの層を使用する必要があるであろう。ＤＢＲ層の材料は、エピタキシャル成長してもよく、または非エピタキシャル蒸着してもよい誘電材料および／または半導体材料を含んでいてもよい。
図１は、ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲを内蔵する光励起垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の図である。本明細書で検討するＶＣＳＥＬおよびＶＥＣＳＥＬ装置は、連続波（ｃｗ）レーザとして操作できる。図１のＶＣＳＥＬは、光ポンプ光源と、ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲである第１の反射器と、第２の反射器と、半導体利得領域と、を含んでいる。図１に示すように、レーザ光キャビティは第１および第２の反射器により境界づけされる。利得領域は、いくつかの量子井戸（ＱＷ）構造を含んでいてもよく、各ＱＷ構造は１つ以上の量子井戸を含んでいてもよい。利得領域は、基板上に利得領域の半導体層をエピタキシャル成長させることにより製作でき、この利得領域の半導体層は、その後、基板残部１４０を残して薄くされる。場合によっては、利得領域が、有機金属気相エピタキシによりＧａＮ基板上に蒸着した１０周期のＩｎＧａＮ二重ＱＷを含んでいてもよい。ＱＷの位置がレーザモードの電場パターンと一致するように、共鳴周期利得スキーム内に二重ＱＷを配置できる。利得領域上に第１の反射器（ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲ）を蒸着した。ＧａＮ基板を薄くして、利得領域の裏面上に第２の反射器を直接蒸着した。
例えば、利得領域は、ＩｎＧａＮに基づく約１０周期の二重量子井戸構造などの複数の量子井戸構造を含んでいてもよく、基板上に成長される。各量子井戸構造は、以下の層、すなわち、ＩｎＧａＮプレひずみ層（Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ、３５．３ｎｍ厚）、第１の薄いスペーサ（ＧａＮ、５ｎｍ厚）、第１の量子井戸、（Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ、３ｎｍ厚）、第２の薄いスペーサ（ＧａＮ、５ｎｍ厚）、第２の量子井戸、（Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ、３ｎｍ厚）、厚いスペーサ（ＧａＮ、２１．７ｎｍ厚）、およびキャリア閉じ込めおよびひずみ管理層（Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ、２０ｎｍ厚）を順番に含んでいてもよい。共同所有された米国特許出願第１３／４２７，１０５号に、本明細書で検討する方法に関連して使用できる追加の構造および方法を開示しており、当該出願は引用することにより本明細書に完全に組み込まれているものとする。
ポンプ放射１１０が第１の反射器と利得領域とを通り抜けて、利得領域の量子井戸内、またはその付近で電子正孔対を生成する。電子正孔対は量子井戸に拡散し、再結合してレーザ放射を生成する。レーザ放射はレーザ光キャビティの中の第１および第２の反射器により反射されて、共鳴周期利得をもたらす定在波を生成する。十分なエネルギーを有するレーザ放射が、矢印１３０が示すように第２の反射器を通り抜ける。いくつかの実施態様が、レーザ放射の高調波で、または和周波数もしくは差周波数で、放射を生成する非線形光学結晶などの任意の周波数変換器を含んでいる。周波数変換器を用いて、例えば、２８０ｎｍ未満などの深ＵＶスペクトルのレーザ出力を取得できる。図１に示す任意の周波数変換器は、必要に応じて、本明細書に記載のすべての実施形態に使用してもよい。周波数変換器、例えば、非線形水晶などが、図３に示すように、ＶＥＣＳＥＬのキャビティの中に設置してあるとき、周波数倍増は、より効率的である可能性がある。
いくつかの実施形態では、ポンプ光源が、３７０〜５３０ｎｍの範囲内で放射する窒化ガリウム（ＧａＮ）から作られた半導体レーザ（あるいは複数の半導体レーザ）である。例えば、Ｂｌｕ−ｒａｙデジタルプレーヤまたはプロジェクタディスプレイ用に設計された市販のレーザ素子が、４０５ｎｍまたは４４５ｎｍで放射する。これらの素子は現在利用できて、ＧａＮに基づくＶ（Ｅ）ＣＳＥＬ用のポンプ光源として使用できる。これらのポンプ光源の出力は、０．５〜１０ワットの範囲内であってもよい。図１に示すように、直径５０〜２００μｍのポンプ・ビーム・スポット・サイズにポンプ放射を集束させる１つ以上のレンズの集束系を提供するようにポンプ光源光学を構成でき、５０ｋＷ／ｃｍ２を上回る出力密度を実現する。利得領域は、望ましい波長、例えば、４２０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲内、で放射ビームを出力する。
動作時には、利得領域は高温になる可能性がある。発熱による性能低下または素子への損傷の可能性を低減するために、第１の反射器がヒートシンクに隣接している状態で、素子をヒートシンク上に取り付けてもよい。ヒートシンクは、例えば、銅、またはダイヤモンドなどの他の熱伝導材料を含んでいてもよい。任意の第２のヒートシンクを第２の反射器に隣接して配置してもよい。図１に示すように、ヒートシンクは、ポンプ放射が第１の反射器と利得領域とにアクセスできるようにするための開口部を有している。あるいは、ポンプ波長に対してヒートシンクが光学的に透明である場合、例えば、透明なダイヤモンドなどの場合には、ヒートシンク内の開口部は必要ない。第２のヒートシンクを第２の反射器に隣接して使用する場合には、第２のヒートシンクは、レーザ放射１３０の発光を可能にするための開口部もまた有している。いくつかの構造では、これらの開口部は互いの上方に中心がある。図１に示すように、場合によっては、ポンプ放射ビームが、第１の反射器上に、第１の反射器の表面に対して垂直に入射する。この構造では、図１に示すように、ポンプ光源および半導体利得領域を同軸上に位置合わせして、構造のすべての光学部品の直線的配置を可能にしてもよい。
図２は、ＶＣＳＥＬ装置に対する他の構造を示しており、この構造では、ポンプ光源放射１１０と、利得領域から出力される放射１３０とが同軸ではないように、ポンプ光源および利得領域を配置している。この配置では、ポンプ放射ビームは半導体構造上に角度θ≠０で入射する。所与の波長に対するポンプ放射ビームの入射角度を変えると、詳細に後述するように、第１の反射器の透過率／反射率特性をシフトさせることになる。
図３は、レーザ構造に対するさらに他の可能な構造を示している。この実施例では、レーザをＶＥＣＳＥＬとして配置している。図３に示す実施態様は、第２の反射器、すなわち、外部アウト・カップリング・ミラー、を利得領域から分離する外部キャビティ３０１をＶＥＣＳＥＬが含んでいることを除いて、いくつかの点で、図２に示すＶＣＳＥＬ構造と似ている。外部ミラーは、レーザモードのガウス・ビーム・プロファイルに適応するための曲面を有していてもよい。長いキャビティ（例えば、５０〜２００ｍｍ）のおかげで、第二高調波生成のための非線形結晶、またはレーザ発振波長を微調整するための複屈折フィルタのような追加の光学部品の挿入が可能になる。いくつかの実施態様では、その上に利得領域を成長させるＶＥＣＳＥＬ基板が、ＶＥＣＳＥＬに対する構造的な支持を提供しながら保持されてもよい。基板は、例えば、装置または約１００μｍの厚さの取り扱いを容易にするのに十分な厚さを有することができる。これらの実施態様では、基板材料は大きなバンドギャップの材料、例えば、ＧａＮ、またはポンプ放射とレーザ放射の両方に対して高い透明性を有する他の材料など、であろう。図３に示す構造では、装置が利得領域の反対側から励起されるため、ヒートシンクは開口部を必要としない。
上述のように、図１〜図４の第１の反射器は、さまざまな材料および層厚さを用いて製作してもよいＨＲ／ＢＬ ＤＢＲを含んでいる。ＤＢＲ層の材料は、エピタキシャル成長してもよく、または非エピタキシャル蒸着してもよい誘電材料および／または半導体材料を含んでいてもよい。場合によっては、ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲが多くの層対を含んでいてもよく、各層は上述の式１で示すような厚さを有している。ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲ内で使用される層対の個数は層の材料に依存するが、しかしながら、高屈折率材料に対しては、わずか７層対を使用してもよい。
図４は、ＧａＮ上に蒸着され、４６０ｎｍの中心波長用に設計された層厚さを有する８対のＳｉＯ２／ＴｉＯ２を含むＨＲ／ＢＬ ＤＢＲにおける、入射放射波長に対する反射率４１０および透過率４２０のシミュレーションプロットを示している。この実施例では、ＳｉＯ２およびＴｉＯ２に対して、それぞれｎ（λｌ）＝１．４６および２．２と仮定すると、ＳｉＯ２層のそれぞれはｔＳｉＯ２＝３×４６０ｎｍ／４×１．４６＝２３６．３０ｎｍの厚さを有しており、ＴｉＯ２層のそれぞれはｔＴｉＯ２＝３×４６０ｎｍ／４×２．４８＝１３９．１１ｎｍの厚さを有している。図４から分かるように、１／４波長のＳｉＯ２／ＴｉＯ２ ＤＢＲに対する約１５０ｎｍと比較して、約５５ｎｍのかなり狭い帯域幅を有する高反射率（＞９９％）を実現できる。さらに、この高反射率帯域の外側の波長、例えば、約４００ｎｍから約４３７ｎｍまでの波長が、約５０％よりも大きい透過率を有していることが図４から分かる。いくつかの波長域が９０％よりも大きい透過率を有している。例えば、垂直入射では、約４３５ｎｍ、４２３ｎｍ、および４０５〜４１０ｎｍの間のポンプ放射波長で約９０％よりも大きい透過率を示している。
上述のように、最大１ワットまでの光出力の２つの波長（４０５ｎｍおよび４４５ｎｍ）の高出力ＩｎＧａＮ半導体レーザが市販されている。以下に提供されるいくつかの実施例が、これらの可能なポンプ放射波長に適用できる構造を提供するが、本明細書に記載の方法の実現は、これらの特定のポンプ放射波長には限定されない。
図５は、４０５ｎｍの波長に対する（図４に関連して説明したような）ＳｉＯ２／ＴｉＯ２層を有する３／４波長ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲにおける、反射率５１０および透過率５２０の角度スペクトルのシミュレーションプロットを示している。０〜１２、２９、および４０度の角度では、ＤＢＲが高い透過率を提供して、これらの角度を励起に特に適した角度にさせることが図５から分かる。図６は、４４５ｎｍの波長に対する（図４に関連して説明したような）ＳｉＯ２／ＴｉＯ２層を有する３／４波長ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲにおける、反射率６１０および透過率６２０のシミュレーションプロットを示している。３／４波長ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲの角度スペクトルは、４３度の角度での励起が、４４５ｎｍにおいて高い透過率を与えることを明示している。
実験構造を用いてシミュレーション結果を検証した。約４６０ｎｍ〜４７０ｎｍの目標波長を用いて３／４波長ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲを作った。これらの実験構造は、水晶およびＢＫ７上に蒸着したＳｉＯ２／ＴｉＯ２の４層対を有する３／４波長ＤＢＲを含んでいた。図７で分かるように、実験構造の結果は理論的予測とよく一致した。図７では、線７１０が予測された反射率結果を示しており、線７２０が水晶上に蒸着した１番目の４層対ＤＢＲからの実験的な反射率結果を示しており、線７３０が水晶上に蒸着した２番目の４層対ＤＢＲからの実験的な反射率結果を示しており、線７４０がＢＫ７上に蒸着した２番目の４層対ＤＢＲからの実験的な反射率結果を示している。
いくつかの構造では、ＶＥＣＳＥＬ構造の第２の反射器と、利得領域との間の小さい空隙を、図８に示すように、ポンプ光源のスペクトル品質を改善するために使用してもよい。図８のＶＥＣＳＥＬは第１の反射器を含んでいる。一般に、第１の反射器は任意の種類の反射器を含んでいてもよい。いくつかの実施態様では、第１の反射器が、レーザ放射波長λｌａｓｅに中心がある比較的狭い反射率帯域幅を有するＨＲ／ＢＬ ＤＢＲである。ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲの狭い反射率帯域幅はポンプ波長λｐｕｍｐでの放射を著しく反射することはなく、ポンプ光源が装置を光励起することを可能にする。ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲの比較的狭い反射率（Ｒ）帯域幅により、ポンプ放射が第１の反射器を通り抜けて利得領域にアクセスすることが可能になる一方で、利得領域内で生成されたレーザ放射はレーザ光キャビティの方へ再び反射される。例えば、ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲの第１の反射器を使用する実施形態では、第１の反射器が８対のＳｉＯ２／ＴｉＯ２を含んでいてもよく、層厚さがＳｉＯ２層に対して２３６．３０ｎｍと、ＴｉＯ２層に対して１３９．１１ｎｍであってもよい。
いくつかの実施態様では、ポンプ放射波長λｐｕｍｐと、レーザ放射波長λｌａｓｅの両方で高反射率の状態で、第２の反射器が比較的広い反射率帯域幅を有することができる。例えば、第２の反射器はＳｉＯ２／ＴｉＯ２の６．５層対を有する１／４波長ＤＢＲを含んでいてもよく、ＳｉＯ２層は１．４７の屈折率ｎＳｉＯ２と、７８ｎｍの厚さとを有し、ＴｉＯ２層は２．２の屈折率ｎＴｉＯ２と、約５２ｎｍの厚さとを有していてもよい。このＤＢＲは、４６０ｎｍの波長に中心がある約１５０ｎｍの帯域幅内で、約９９％よりも大きい反射率を有している。
共鳴器レーザ光キャビティの中に小さい空隙８３０を提供することにより、多重モードのポンプ放射を用いてＶＥＣＳＥＬの単一モード発光を生成できる。この実施形態は、ポンプ光源のスペクトル品質を向上させるための実用的な方法を提供する。第２の反射器と反射面の間に配置した空隙８３０は、レーザ光キャビティ内の空隙８３９と利得領域の間の界面に第３の反射面８３５を作り出す。反射面８３５と第２の反射器とは補助的な光キャビティを形成しており、この補助的な光キャビティはレーザ光キャビティよりも短い光路長を有している。補助的な光キャビティと（主）レーザ光キャビティとは、結合した共鳴器を形成する。主要な光キャビティと補助的な光キャビティの間が結合すると、結果として特定の出力モードが他の出力モードよりも好まれることにつながる。好ましいモードが利得スペクトルと重なり合う場合、単一モード動作が可能になる（例えば、後で図１２に示すシミュレーションを参照）。いくつかの実施形態では、装置がポンプ光源の入力モードよりも少ない出力モードを有するレーザ放射を出力するまで、反射面８３５と第２の反射器との間隔を調節できる。
いくつかの実施態様では、１つ以上の選択された出力モード、例えば、単一の支配的な出力モードなどをもたらすようにするために、空隙が動的に調節可能であってもよい。利得領域および／または第２の反射器が、それらの内部表面上に配置された電極８４０を有していてもよく、電極８４０の間に弾性的に変形可能なスペーサ８５０がある状態で電極８４０が互いに向かい合っていてもよい。制御システムにより電極８４０に信号８３６を与えて、静電的に、電磁的に、または圧電的になどにより内部の反射面８３５と第２の反射器の間の距離の変化を引き起こして、それらの反射面８３５と第２の反射器の間の領域の形を変化させることができる。空隙間隔、すなわち、空隙を形成する反射面の間の距離は、例えば、マイクロメートルから何十ミリメートルなどの広範囲の値を有する可能性がある。空隙がより大きければ、空隙の中へ追加の光学部品を挿入することが可能になる。例えば、第二高調波生成のための非線形結晶、またはレーザ発振波長を微調整するための複屈折フィルタなどを空隙の中に挿入してもよい。
図９は、空隙を含まない図２に示すＶＣＳＥＬと同様の第１の実験レーザ構造により生成されるレーザ発振スペクトルを示している。第１の実験構造では、利得領域（共鳴周期利得（ＲＰＧ）スキーム内に配置した１０周期のＩｎＧａＮ二重量子井戸）をバルクＧａＮ基板上に成長させた。利得領域上に１／４波長ＳｉＯ２／ＴｉＯ２ ＤＢＲ（第１の反射器）を蒸着した。研磨することによりＧａＮ基板を１００μｍ未満の厚さまで薄くした。基板の研磨した裏面上に、１／４波長ＳｉＯ２／ＴｉＯ２ ＤＢＲを含む第２の反射器を蒸着した。図１１は、図８に示すＶＥＣＳＥＬと同様の第２の実験レーザ構造により生成されるレーザ発振を明示しており、この図８に示すＶＥＣＳＥＬは利得領域と第２の反射器の間に約１０μｍの空隙８３０を含んでいた。上述のように、同様の結果を実現するために、他の空隙厚さを使用する可能性がある。第２の実験構造では、両方の反射器は１／４波長ＳｉＯ２／ＴｉＯ２ ＤＢＲであった。両方の実験構造は、３８４ｎｍで放射するパルス色素レーザを用いて約４０度の入射角で操作して励起した。
両方の第１および第２の実験装置では、構造的および光学的キャラクタリゼーション法により利得チップの材料品質を確認した。構造特性に対する最適パラメータを決定するために、透過電子顕微鏡法検査と組み合わせた高分解能Ｘ線回折測定を使用した。成長過程を制御して、くっきりした層界面を作り出すとともに、Ｖ欠陥のような拡張欠陥の発生を回避した。利得領域のエピタキシャル表面の二乗平均平方根（ｒｍｓ）表面粗さを、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）から、２μｍ×２μｍの走査に対する０．１５ｎｍまで決定した。温度依存性フォトルミネセンス測定により、サンプルの内部量子効率（ＩＱＥ）を決定した。レーザサンプルのＩＱＥは５０％を超えていた。
図９は、第１の実験構造のレーザ発光スペクトルを示しており、発光は４５３．７ｎｍの中心波長９１０を有している。複数の縦モード９２０、９２１がはっきりと分かる。レーザモードの線幅は、０．１ｎｍより細い。個々のレーザ発振モード間のモード間隔が共鳴器（光キャビティ）の長さと関連しており、この共鳴器の長さは、今の場合、薄くされたＧａＮ基板とエピタキシャル層との厚さで構成されている。厚さは約７３μｍと決定した。
図１０は、ＶＣＳＥＬ（第１の実験構造）の出力対室温における色素レーザの最大励起出力を示している。最大励起出力は、サンプル上に入射する平均励起出力を測定して、ポンプレーザのパルス長と繰返し周波数とを考慮することにより決定した。閾値励起出力が約０．７５Ｗに決定できる。約３０μｍの推定励起スポット直径に対して、閾値励起出力は約１００ｋＷ／ｃｍ２であった。
図１１は、ＧａＮチップとＤＢＲミラーの間に空隙を有するＶＥＣＳＥＬ（第２の実験構造）のレーザ発振スペクトルを示している。図１０から明らかなように、レーザ発光の光学特性が大幅に変化した。空隙のない第１の実験レーザ構造では複数の縦モードが記録されたが、空隙を有する第２の実験レーザ構造のスペクトルは単一の支配的な縦モード１１００を示している。さらに、レーザ発振波長は４４０ｎｍにずれた。両方の特徴は、半導体と空気の間の追加の界面８３５を考慮することにより説明できる。
図１２は、システムのキャビティモード１２１０のシミュレーションを示しており、このシステムは可動外部ミラーと、空隙と、薄くされたＧａＮ残部と、エピタキシャル側面ＤＢＲと、を含んでいる。レーザ発振波長１２２０が、これらのモードのうちの１つと同時に起こる。また、比較のために、レーザ動作に利用するのと同じ励起条件下での第２のＤＢＲのないサンプルのフォトルミネセンススペクトル１２３０を示している。図１２で明らかなように、キャビティがレーザ発振波長を決定するが、このレーザ発振波長は必ずしもＱＷの最大フォトルミネセンス発光波長と同時に起こるわけではない。
入射ポンプ光子が、レーザ光子よりも高エネルギーを有しており、ポンプ光子とレーザ光子とのエネルギー差が量子欠損で表される。ポンプ光子とレーザ光子とのエネルギー差は、装置の活性領域から熱として放散される。さらに、発熱は理想的でない材料品質から非発光性再結合の形で生じる。誘電体反射器は、比較的少ない層で非常によい反射率を提供する高屈折率コントラスト材料を使用できる。しかしながら、誘電体は、比較的低い熱伝導率を示す可能性があり、利得領域とヒートシンクの間に蒸着した場合、これらの誘電材料でできた反射器が、利得領域からヒートシンクへの熱移動を妨げる可能性がある。いくつかの実施形態では、レーザ構造が、利得領域からの距離によって異なる熱伝導率を有する反射器を含んでいてもよい。例えば、反射器の熱伝導率が、距離によって変化する熱伝導率を有していてもよい。例えば、反射器の第１の領域内の熱伝導率ｋ１が、反射器の第２の領域内の熱伝導率ｋ２とは異なっていてもよい。このような反射器は、許容できるほど高い反射率と、許容できるほど高い熱伝導率と、の二重の設計制約を実現するのに向いている可能性があり、この許容できるほど高い反射率は高屈折率コントラスト誘電体を用いて達成でき、この許容できるほど高い熱伝導率は誘電材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する半導体材料を用いて達成してもよい。
図１３は、利得領域の両面に配置した第１および第２の反射器を含むＶＣＳＥＬを示している。この実施例では、第１の反射器がヒートシンクに隣接しており、第１の反射器は第１および第２の部分（図１３では、それぞれ、部分１および部分２と表す）を含んでいる。第１の部分は、第２の部分の熱伝導率とは異なる熱伝導率を有している。
いくつかの実施態様では、第１の部分が、比較的高い熱伝導率を有する半導体材料でできていてもよい。例えば、第１の反射器の第１の部分は、利得領域上にエピタキシャル成長している半導体材料を含んでいてもよい。第２の部分が、半導体材料よりも比較的低い熱伝導率を有する誘電材料でできていてもよい。第１の反射器の第２の部分は、例えば、スパッタリングまたは蒸発過程により、第１の反射器の第１の部分上に蒸着してもよい。
場合によっては、第１の部分が、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ（熱伝導率約ｋｓｅｍｉ＝１．３ Ｗ／ｃｍ−Ｋ）または他の好適な半導体材料の多数の層対を含むエピタキシャル成長した半導体ＤＢＲ部分であってもよい。第２の部分が、例えば、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２（熱伝導率約ｋｄｉｅｌ＝０．０４Ｗ／ｃｍ−Ｋ）の層対を含む、非エピタキシャル誘電体ＤＢＲ部分であってもよい。例えば、いくつかの実施態様では、第１の部分が、ＧａＮ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎの１０．５層対を含んでいてもよく、ここで、ＧａＮ層は約４６．８ｎｍの厚さを有し、ＡｌＧａＮ層は約４８．８ｎｍの厚さを有している。第２の部分が、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の４層対を含んでいてもよく、ここで、ＳｉＯ２層は約７８．８ｎｍの厚さを有し、ＴｉＯ２層は約５３．２ｎｍの厚さを有している。
より高い熱伝導率の材料、例えば、半導体などを、より低い伝導率の材料、例えば、誘電体などとつないで使用するとき、誘電体部分の全厚さは、装置の全体的な耐熱性を低下させる。いくつかの実施形態では、第１の部分または第２の部分の一方または両方が、ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲであってもよい。ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲの第１の部分は１／４波長ＧａＮ／ＡｌＧａＮ対から形成してもよく、ＨＲ／ＢＬ ＤＢＲの第２の部分は３／４波長ＳｉＯ２／ＴｉＯ２層対から形成してもよい。
説明する実施態様のさまざまな態様において、多くの値および範囲を提供している。これらの値および範囲は、あくまで例としてのみ扱われるべきであり、請求項の範囲を限定することを意図していない。例えば、開示する数値域全体を通して本開示に記載の実施形態を実行できる。さらに、実施態様のさまざまな面に適しているとして、多くの材料が特定される。これらの材料は、例を示しているものとして扱われるべきであり、請求項の範囲を限定することを意図していない。
さまざまな実施形態の上述の記述は、図示および説明のために提示されており、限定するために提示されているのではない。開示する実施形態は、完全であることを意図しておらず、または開示する実施形態に、可能な実施態様を限定することを意図していない。上述の教示に照らして多数の変更および変形が可能である。

Claims (10)

  1. 中心レーザ波長の放射を放出するように構成された半導体利得領域と、
    前記利得領域の方へ向けて中心ポンプ波長のポンプ放射ビームを放出するように構成されたポンプ光源と、
    前記ポンプ放射ビーム内に配置した分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含む第１の反射器であって、前記第１の反射器は、前記中心レーザ波長に中心がある約６０ｎｍ未満の帯域幅全域で約９０％よりも大きい反射率を有しており、また、前記第１の反射器は、前記中心ポンプ波長において約５０％未満の反射率を有する、第１の反射器と、
    第２の反射器であって、前記利得領域は前記第１の反射器と前記第２の反射器の間に配置してある、第２の反射器と、を含む
    レーザ構造。
  2. 前記第１の反射器が多くの層対を含み、各層対は第１の層と第２の層とを含み、前記第１の層の光学的厚さが前記中心レーザ波長の３／４であり、前記第２の層の光学的厚さが前記中心レーザ波長の３／４である、請求項１に記載のレーザ構造。
  3. 層対の個数が約６よりも大きい、請求項２に記載のレーザ構造。
  4. 前記第１の反射器が、
    第１の熱伝導率を有する第１の部分と、
    前記第１の熱伝導率よりも小さい第２の熱伝導率を有する第２の部分と、を含む、請求項１に記載のレーザ構造。
  5. 前記中心ポンプ放射波長が約３７０〜約５３０ｎｍの間にあり、前記ピークレーザ波長が約３９０〜約５５０ｎｍの範囲内にある、請求項１に記載のレーザ構造。
  6. 前記ポンプ放射ビームが、前記第１の反射器の表面上に、前記第１の反射器の前記表面の法線に対して所定の角度で入射する、請求項１に記載のレーザ構造。
  7. 前記半導体利得領域が、第１の面および第２の面と、
    前記利得領域の方へ向けて中心ポンプ波長のポンプ放射ビームを放出するように構成されたポンプ光源と、
    前記利得領域の前記第１の面に隣接して、前記ポンプ放射ビーム内に前記第１の反射器が配置してあり、
    前記利得領域の前記第２の面に隣接して配置した反射面と、
    前記第２の反射器と前記反射面の間に空隙と、を有している、請求項１に記載のレーザ構造。
  8. 前記空隙の厚さを調節するように構成された位置決め要素をさらに含む、請求項７に記載のレーザ構造。
  9. 前記ポンプ放射ビームが複数のモードを含み、前記レーザ放射が単一のモードを含む、請求項７に記載のレーザ構造。
  10. 中心レーザ波長の放射を放出するように構成された半導体利得領域と、第１および第２の反射器と、前記利得領域に隣接して配置した反射面と、を含むレーザを操作することであって、前記第１および第２の反射器は主要なレーザキャビティを形成し、前記反射面および前記第２の反射器は補助的な光キャビティを形成する、操作することと、
    所定の入力モード数を有するポンプ放射を放出するように構成されたポンプ光源を操作することであって、前記ポンプ放射は前記半導体利得領域の方へ向けて、前記半導体利得領域内に少なくとも部分的に吸収さる、操作することと、
    前記入力モード数よりも少ない出力モード数を前記レーザが出力するまで、前記反射面と前記第２の反射器の間の空隙を調節することと、を含む、
    方法。
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