JP2987437B1 - Saturable absorbing reflector - Google Patents
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Abstract
【要約】
【課題】本発明は、広帯域半導体可飽和吸収反射鏡の、
高強度入射光に対する反射率の向上を可能にすることを
目的とする。
【解決手段】本発明の可飽和吸収反射鏡は、光を反射さ
せる金属表面上に、可飽和吸収半導体層及び透明半導体
層が積層された構造において、金属層と半導体層の間に
透明誘電体層を挿入する。透明誘電体層は、半導体の屈
折率よりは小さく、金属の誘電率よりは大きい誘電率を
持つ物質、たとえば、シリカ、もしくはアルミナ等が選
択される。反射率の向上により、該可飽和吸収反射鏡を
利用して構成したレーザー装置において、低い発振閾
値、高い効率が達成できる。The present invention relates to a broadband semiconductor saturable absorbing reflector.
An object of the present invention is to make it possible to improve the reflectance for high-intensity incident light. A saturable absorption mirror according to the present invention has a structure in which a saturable absorption semiconductor layer and a transparent semiconductor layer are laminated on a metal surface that reflects light, and a transparent dielectric is provided between the metal layer and the semiconductor layer. Insert a layer. For the transparent dielectric layer, a material having a dielectric constant lower than the refractive index of the semiconductor and higher than the dielectric constant of the metal, for example, silica or alumina is selected. By improving the reflectivity, a laser device configured using the saturable absorbing reflector can achieve a low oscillation threshold and a high efficiency.
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、特に、短パルスレーザ
ーの発振、増幅、制御を目的とする機器を製造、利用す
る産業分野において、可飽和吸収特性、すなわち、光強
度の増大により光吸収率が一時的に低下する特性を有す
る可飽和吸収反射鏡に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a saturable absorption characteristic, that is, an increase in light intensity, in an industrial field in which a device for oscillating, amplifying, and controlling a short pulse laser is manufactured and used. The present invention relates to a saturable absorbing mirror having a characteristic that the rate temporarily decreases.
【０００２】[0002]
【従来の技術】本発明は、一般に広帯域半導体可飽和吸
収反射鏡（Broadband SemiconductorSaturable Absorbe
r Mirror）に関する。以下に、従来作製されている広帯
域半導体可飽和吸収反射鏡について説明する。2. Description of the Related Art The present invention generally relates to a broadband semiconductor saturable absorber.
r Mirror). Hereinafter, a conventionally manufactured broadband semiconductor saturable absorption mirror will be described.
【０００３】レーザー装置のうちで、パルスレーザーと
称されるものは、レーザー光が自律的に間欠的に出射さ
れることを特徴とするものであり、多くの用途に向けて
広く使われている。連続発振レーザーにおいては光共振
器内に一様にレーザー光が分布するのに対し、パルスレ
ーザーにおいては光が一団となって共振器内を往復す
る。通常は連続発振状態の方がより安定であるので、パ
ルスレーザー状態を実現するためには光が一団となるの
を促進する機構が付加されていなければならない。現在
までにいくつかの機構が提案・実現されているが、その
一つに可飽和吸収体を共振器内部に設置する方法があ
る。[0003] Among laser devices, a device called a pulse laser is characterized in that laser light is emitted intermittently and autonomously, and is widely used for many purposes. . In a continuous wave laser, laser light is uniformly distributed in an optical resonator, whereas in a pulse laser, light reciprocates in a resonator as a group. Normally, the continuous oscillation state is more stable, so that a mechanism that promotes a group of lights must be added in order to realize a pulsed laser state. To date, several mechanisms have been proposed and realized, one of which is to install a saturable absorber inside the resonator.
【０００４】可飽和吸収体は低強度の光が入射した時に
は吸収体として働く一方、高強度の光が入射した時には
吸収体としての能力が飽和し、透明体として働く物質で
ある。可飽和吸収体が光共振器内に存在すると、低強度
の光が共振器内に一様分布する連続発振状態での光損失
が大となる一方で、高強度の一団の光が往復するパルス
発振状態での光損失は小となり、パルス発振状態が促進
される。パルス発振状態ではレーザー光のスペクトルは
広がるが、可飽和吸収体は、そのスペクトルの波長範囲
の少なくとも半分以上の範囲において、望むらくは全範
囲において吸収特性を発揮しなければならない。[0004] A saturable absorber is a substance that functions as an absorber when low-intensity light is incident, but saturates its ability as an absorber when high-intensity light is incident, and functions as a transparent body. When the saturable absorber is present in the optical resonator, the light loss in continuous oscillation, in which low-intensity light is uniformly distributed in the resonator, increases, while a pulse in which a group of high-intensity light reciprocates. The light loss in the oscillation state is small, and the pulse oscillation state is promoted. In the pulse oscillation state, the spectrum of the laser beam is broadened, but the saturable absorber must exhibit absorption characteristics in at least half of the wavelength range of the spectrum, and preferably in the entire range.
【０００５】可飽和吸収の原理は、吸収体内の分子、原
子、電子等が光吸収の直接の原因であり、また、それら
の光吸収後の状態には吸収能がなく、光吸収後の状態か
ら吸収前の状態に緩和するのに一定の時間がかかること
からきている。従って、可飽和吸収特性自体は広くみら
れる性質であるが、可飽和吸収を起こすのに必要な光強
度、吸収波長、吸収特性回復時間等の要請により、適当
な物質が選択される。可視から近赤外領域で望ましい物
質の一つとして半導体が挙げられる。[0005] The principle of saturable absorption is that molecules, atoms, electrons, etc. in the absorber are directly responsible for light absorption, and the state after light absorption has no absorption ability, and the state after light absorption. It takes a certain amount of time to relax to the state before absorption. Therefore, although the saturable absorption characteristics themselves are widely seen, an appropriate substance is selected according to the requirements of light intensity, absorption wavelength, absorption characteristic recovery time, and the like necessary for causing saturable absorption. One of the desirable substances in the visible to near infrared region is a semiconductor.
【０００６】図４に従来の広帯域半導体可飽和吸収反射
鏡の構造を示す（R. Fluck 他、OPTICS LETTERS Vol. 2
4, 743(1996)）。この反射鏡は中心波長７６０ｎｍのパ
ルスレーザー用として開発されたものである。この反射
鏡は銀よりなる金属反射膜３とその上面に接合された半
導体層からなる。銀は、問題とする波長範囲では最も反
射率の高い物質であり、反射鏡の反射率を高くするため
に採用されたものと考えられる。半導体層は可飽和吸収
半導体層５である砒化ガリウムが透明半導体層４である
砒化アルミと透明半導体層６である砒化ガリウムアルミ
に挟まれた構造をしている。FIG. 4 shows the structure of a conventional broadband semiconductor saturable absorbing reflector (R. Fluck et al., OPTICS LETTERS Vol. 2).
4, 743 (1996)). This reflecting mirror was developed for a pulse laser having a center wavelength of 760 nm. This reflecting mirror comprises a metal reflecting film 3 made of silver and a semiconductor layer joined to the upper surface thereof. Silver is the substance having the highest reflectance in the wavelength range of interest, and is considered to have been employed to increase the reflectance of the reflector. The semiconductor layer has a structure in which gallium arsenide as the saturable absorption semiconductor layer 5 is sandwiched between aluminum arsenide as the transparent semiconductor layer 4 and gallium aluminum arsenide as the transparent semiconductor layer 6.
【０００７】この反射鏡構造を作製するには、砒化ガリ
ウムよりなる結晶成長用半導体基板（図示せず）を用意
し、その表面上に透明半導体層６、可飽和吸収半導体層
５、透明半導体層４の順に結晶成長して積層し、更に、
真空蒸着装置によって金属反射膜３を蒸着する。その
後、試料表面を反射鏡保持基板１に接着剤層２によって
接着し、機械的研磨、溶液による組成選択的溶解を行っ
て基板をすべて取り去り、目的とする反射鏡構造を得
る。To manufacture this reflector structure, a crystal growth semiconductor substrate (not shown) made of gallium arsenide is prepared, and a transparent semiconductor layer 6, a saturable absorption semiconductor layer 5, and a transparent semiconductor layer The crystals are grown and stacked in the order of 4, and
The metal reflection film 3 is deposited by a vacuum deposition device. Thereafter, the surface of the sample is adhered to the reflector holding substrate 1 by the adhesive layer 2, and mechanical polishing and composition-selective dissolution with a solution are performed to remove all the substrates, thereby obtaining a desired reflector structure.
【０００８】上記の広帯域半導体可飽和吸収反射鏡をレ
ーザーの共振器の一端の反射鏡として用いた場合、共振
器内の光は上記の反射鏡によって反射されるが、その反
射率は上記の実施例によれば、光強度が低い時には９３
〜９４％程度であり、光強度が高くなると反射率が２〜
３．５％程度向上し９６〜９６．５％程度になる。共振
器のもう一端の反射鏡は光を外部に出力するために、１
％の反射損失があるとすると、レーザー媒質を光が通過
する間に、低強度の光では７〜８％、高強度の光では
４．５〜５％の増幅が行われなければならない。通常の
連続発振状態では、可飽和吸収半導体層５で光吸収が行
われて生成された電子・正孔対は、速やかに再結合して
再び光を吸収できるため、吸収飽和は起こらない。それ
に対し、共振器中の光がパルス状に一団となって往復す
る時には、光の瞬間強度は連続発振の時の１００００倍
を越えるため、可飽和吸収半導体層５で光吸収が行われ
て生成された電子・正孔対は光パルスが通過する時間内
に再結合することが出来ず、吸収飽和が生じる。この場
合の上記の反射鏡の反射率は、光パルス前端に対しては
９３〜９４％であるが、光パルスの中心及び後端に関し
ては９６〜９６．５％に向上し、平均的に、連続発振光
の場合と比べて高い反射率が達成できる。When the above-mentioned broadband semiconductor saturable absorbing mirror is used as a mirror at one end of a laser resonator, light in the resonator is reflected by the above-mentioned mirror, and the reflectance is the same as that of the above-described embodiment. According to the example, 93 93
About 94%, and as the light intensity increases, the reflectivity becomes
It is improved by about 3.5% and becomes about 96 to 96.5%. The reflector at the other end of the resonator is used to output light to the outside.
Assuming that there is a% reflection loss, amplification of 7-8% for low intensity light and 4.5-5% for high intensity light must occur during the passage of light through the laser medium. In a normal continuous oscillation state, the electron-hole pairs generated by light absorption in the saturable absorption semiconductor layer 5 can quickly recombine and absorb light again, so that absorption saturation does not occur. On the other hand, when the light in the resonator reciprocates in a group of pulses, the instantaneous intensity of the light exceeds 10,000 times that of continuous oscillation. The electron-hole pairs cannot recombine within the time when the light pulse passes, and absorption saturation occurs. In this case, the reflectivity of the reflecting mirror is 93 to 94% for the front end of the light pulse, but is improved to 96 to 96.5% for the center and the rear end of the light pulse. Higher reflectance can be achieved as compared with the case of continuous oscillation light.
【０００９】上記反射率の差によって、連続発振状態が
相対的に抑制される一方で、パルス発振状態が相対的に
促進されるため、パルス発振レーザーを実現することが
できる。[0009] While the continuous oscillation state is relatively suppressed by the difference in the reflectivity, the pulse oscillation state is relatively promoted, so that a pulsed laser can be realized.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法で実現されたパルスレーザーは、出力が比較的小さ
く、また発振に必要な最小エネルギーが大きいこと等が
問題となっている。具体的には、高強度の光であって
も、反射に際して３．５〜４％の損失があり、それに打
ち勝つだけの増幅率がレーザー媒質で実現されていなけ
ればいけないため、レーザー媒質に注入するエネルギー
が大きくならざるを得ない。また、同じ理由から、レー
ザーの発振閾値、すなわちレーザー発振に必要な最小エ
ネルギーが増大する。However, the pulse laser realized by the above method has a problem that the output is relatively small and the minimum energy required for oscillation is large. Specifically, even with high intensity light, there is a loss of 3.5 to 4% upon reflection, and an amplification factor enough to overcome the loss must be realized in the laser medium. The energy has to grow. Further, for the same reason, the lasing threshold of the laser, that is, the minimum energy required for lasing is increased.
【００１１】上記の従来例では、レーザー媒質にチタン
原子を分散させたサファイア結晶（通称チタン・サファ
イア）を使用しているが、このレーザー媒質は高い増幅
効果を実現できる結晶であり、上記の欠点は装置の性能
の低下をもたらすことはあっても、レーザー装置を実現
させるのに支障はない。In the above conventional example, a sapphire crystal in which titanium atoms are dispersed in a laser medium (commonly known as titanium sapphire) is used. However, this laser medium is a crystal capable of realizing a high amplification effect, and has the above-mentioned drawbacks. Although this may cause a decrease in the performance of the device, it does not hinder the realization of the laser device.
【００１２】しかしながら、レーザー媒質は必要とされ
る光の中心波長に応じて選択されなければならず、チタ
ン・サファイアは中心波長が７００〜９００ｎｍの範囲
でのみ利用できる。チタン・サファイアは各種レーザー
媒質の中で増幅効率の高さで良く知られた物質であるた
め、他のレーザー媒質が選択された場合は、上記の問題
点は極めて重大なものとなる。However, the laser medium must be selected according to the required center wavelength of light, and titanium sapphire can be used only in the center wavelength range of 700 to 900 nm. Since titanium / sapphire is a material well known for its high amplification efficiency among various laser media, if another laser medium is selected, the above problem becomes extremely serious.
【００１３】この問題を解決するためには、広帯域半導
体可飽和吸収反射鏡において、光が高強度である時の反
射率向上が必要不可欠である。上記の従来例では高強度
の光に対しての反射率は９６〜９６．５％であるが、計
算によっても９８％が限界であることが確かめられる。
計算と実施例との値の食い違いは、実施例における表面
平坦度等の問題があると推測され、より洗練された製作
工程では改善される可能性が大きいとはいうものの、計
算によって示唆される理論的限界値が１００％より小さ
いことが問題である。また、半導体と金、銀等の金属は
４００℃程度の低温でも反応を起こすことが知られてい
るが、この事実によって上記従来例の反射鏡の反射率が
低下しているのであれば反射率向上は困難であるし、ま
た、そうでない場合においても、反射鏡の耐久性、信頼
性の低下を招く。In order to solve this problem, it is indispensable in a broadband semiconductor saturable absorption mirror to improve the reflectance when the light intensity is high. In the above conventional example, the reflectivity for high-intensity light is 96 to 96.5%, but it can be confirmed by calculation that 98% is the limit.
The discrepancy between the values of the calculation and the example is presumed to be due to problems such as surface flatness in the example, and it is suggested by the calculation, though it is likely to be improved by a more sophisticated manufacturing process. The problem is that the theoretical limit is less than 100%. It is known that a semiconductor reacts with a metal such as gold or silver even at a low temperature of about 400 ° C. If this fact reduces the reflectance of the above-described conventional mirror, the reflectance is reduced. It is difficult to improve the reflection mirror, and even if this is not the case, the durability and reliability of the reflector are reduced.
【００１４】[0014]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、図１に示すように、広帯域半導体可飽
和吸収反射鏡の金属反射膜３と半導体層４、５、６の間
に屈折率の異なる透明物質７を配置し、反射率を向上さ
せるものである。透明物質層７は該広帯域可飽和吸収反
射鏡を利用するパルスレーザにおける光スペクトルの全
波長範囲において透明でなければならない。顕著な効果
を得るためには、透明物質の屈折率は半導体層４、５、
６の屈折率よりも十分に小さく、金属の屈折率よりも十
分に大きくなければならない。半導体層４、５、６の屈
折率は、一般的に使われる砒化ガリウム、砒化アルミ、
砒化インジウムやそれらの混晶では、可視から近赤外領
域においては、３〜４であり、一方金属の屈折率は、一
般的に使われる金、銀では、波長２μｍ以下の光に対し
ては１以下である。したがって、透明物質７は可視から
近赤外領域において、屈折率１．５〜２程度であること
が望ましい。このような屈折率値をもつ物質は、一般に
誘電体と称されているものから選択することが出来る。In order to achieve the above object, according to the present invention, as shown in FIG. 1, between a metal reflection film 3 of a broadband semiconductor saturable absorption mirror and semiconductor layers 4, 5, 6; A transparent substance 7 having a different refractive index is arranged to improve the reflectance. The transparent material layer 7 must be transparent over the entire wavelength range of the light spectrum of the pulse laser using the broadband saturable absorbing reflector. In order to obtain a remarkable effect, the refractive index of the transparent material is limited to the semiconductor layers 4, 5,
6, must be sufficiently smaller than the refractive index of the metal. The refractive indices of the semiconductor layers 4, 5, 6 are gallium arsenide, aluminum arsenide,
Indium arsenide and their mixed crystals have a refractive index of 3 to 4 in the visible to near-infrared region. On the other hand, the refractive index of metal, which is generally used in gold and silver, is less than 2 μm in wavelength. 1 or less. Therefore, it is desirable that the transparent substance 7 has a refractive index of about 1.5 to 2 in a visible to near infrared region. Substances having such a refractive index value can be selected from those generally called dielectrics.
【００１５】透明物質層７の厚さの決定にあたっては、
金属層、誘電体層、半導体層の複合系の反射率を計算に
よって求め、その値が最大になるように設計するのが最
も適当である。In determining the thickness of the transparent material layer 7,
It is most appropriate to obtain the reflectance of a composite system of a metal layer, a dielectric layer, and a semiconductor layer by calculation, and design the reflectance so as to maximize the value.
【００１６】また、透明物質層７の厚さを近似的に求め
る方法としては、金属層を仮想的に屈折率が低く、しか
も光を吸収しない層であるものとみなし、上記の仮想的
な透明かつ低屈折率の層の上に中間屈折率の層と高屈折
率値の層が、その順に積層された場合について、反射率
最大となる、積層された２つの層の厚さを求めると、２
つの層の厚さがそれぞれ１／４波長の奇数倍であること
が結論できる。実際の金属は大きな光吸収係数をもつ
が、このようにして求めた厚さを利用しても、最適では
ないものの、充分に高い反射率を達成することが出来
る。As a method for approximately determining the thickness of the transparent material layer 7, the metal layer is assumed to be a layer having a low refractive index and not absorbing light, and the above-described virtual transparent layer is considered. And, when the layer of the intermediate refractive index and the layer of the high refractive index value are stacked in that order on the layer of the low refractive index, the reflectance becomes maximum, and the thickness of the two stacked layers is obtained. 2
It can be concluded that the thickness of each layer is an odd multiple of 1/4 wavelength. Although an actual metal has a large light absorption coefficient, a sufficiently high reflectance can be achieved by using the thickness determined in this way, though not optimally.
【００１７】上記誘電体物質としては、誘電体積層膜へ
の応用が確立して、安定した膜形成が可能なシリカ、す
なわちＳｉＯ2を使用することが、他の制限条件による
阻害要因がなければ、適切な方法である。また、上記誘
電体物質として、金属薄膜との接着性の強いものを選択
するならば、金属表面への強靱な保護膜としての実績の
あるアルミナ、すなわちＡｌ2Ｏ3を使用することが適当
な方法である。As the above-mentioned dielectric substance, the use of silica, ie, SiO 2 , for which application to a dielectric laminated film has been established and a stable film can be formed, is not required unless other restrictive conditions cause an obstacle. Is the right way. Also, if the dielectric substance is selected to have a strong adhesiveness to a metal thin film, it is appropriate to use alumina having a proven track record as a tough protective film on the metal surface, that is, Al 2 O 3. Is the way.
【００１８】このように、本発明では、広帯域半導体可
飽和吸収反射鏡の、透明誘電体層７の付加による反射率
増加を実現している。反射率の計算にあたっては、透明
半導体層４、可飽和吸収半導体層５、透明半導体層６を
一つの平均的透明半導体層に置き換えても、半導体の屈
折率は互いに近い値であるため、充分に高い精度での計
算を行うことが出来る。このような多層膜構造の反射率
を高める方法としては、平均的透明半導体層および、透
明誘電体層７をともに１／４波長の厚さにすることがし
られている。As described above, according to the present invention, the reflectance of the broadband semiconductor saturable absorbing reflector is increased by adding the transparent dielectric layer 7. In calculating the reflectance, even if the transparent semiconductor layer 4, the saturable absorption semiconductor layer 5, and the transparent semiconductor layer 6 are replaced by one average transparent semiconductor layer, the refractive indexes of the semiconductors are close to each other. Calculation can be performed with high accuracy. As a method of increasing the reflectivity of such a multilayer structure, both the average transparent semiconductor layer and the transparent dielectric layer 7 have a thickness of 1/4 wavelength.
【００１９】更に高い反射率を得るためには、平均的透
明半導体の厚さを１／４波長の厚さに固定した上で、透
明誘電体の厚さを変化させて反射率が最も高くなる厚さ
を求め、その厚さによって透明誘電体層７を形成すれば
よい。In order to obtain a higher reflectivity, the thickness of the average transparent semiconductor is fixed to a thickness of 1/4 wavelength, and then the reflectivity is maximized by changing the thickness of the transparent dielectric. The thickness may be determined, and the transparent dielectric layer 7 may be formed according to the thickness.
【００２０】[0020]
【発明の実施の形態】図２に、本発明による広帯域半導
体可飽和吸収反射鏡の実施例の素子断面構造を示す。素
子断面構造においては、半導体結晶成長からの形成工程
を説明するための基板を表示してある一方、素子形成後
には素子が極端な薄膜となり堅牢性、平坦性を維持でき
ないことを回避するための反射鏡保持基板１及びそれを
接着するための接着剤層２を省略してある。FIG. 2 shows an element sectional structure of an embodiment of the broadband semiconductor saturable absorption mirror according to the present invention. In the element cross-sectional structure, a substrate for explaining a formation process from semiconductor crystal growth is shown, but after the element is formed, the element becomes an extremely thin film so as to avoid that robustness and flatness cannot be maintained. The reflector holding substrate 1 and the adhesive layer 2 for bonding the same are omitted.
【００２１】半導体層は可飽和吸収半導体層５が透明半
導体層４と透明半導体６に挟まれた構造をしている。透
明半導体層６の上部には無反射コーティングを施すこと
も可能である。本実施例では反射する光の中心波長とし
て１．３μｍを選択したため可飽和吸収半導体層５が砒
化インジウム・ガリウムと称するものとなり、それと格
子定数が一致するように透明半導体層４，６を選択した
ために、透明半導体層４，６が砒化インジウム・アルミ
になっている。上記透明半導体層４，６および可飽和吸
収半導体層５を形成するにあたっては、両半導体と格子
定数の一致する結晶成長基板８である燐化インジウムを
使用し、エッチストップ層９を成長させた後、透明半導
体層と可飽和吸収半導体層を成長させる方法を採用し
た。The semiconductor layer has a structure in which a saturable absorption semiconductor layer 5 is sandwiched between a transparent semiconductor layer 4 and a transparent semiconductor 6. An anti-reflection coating can be applied to the upper part of the transparent semiconductor layer 6. In the present embodiment, 1.3 μm was selected as the center wavelength of the reflected light, so that the saturable absorbing semiconductor layer 5 was called indium gallium arsenide, and the transparent semiconductor layers 4 and 6 were selected so that the lattice constant matched it. Further, the transparent semiconductor layers 4 and 6 are made of indium aluminum arsenide. In forming the transparent semiconductor layers 4 and 6 and the saturable absorption semiconductor layer 5, indium phosphide, which is a crystal growth substrate 8 having the same lattice constant as both semiconductors, is used to grow the etch stop layer 9. And a method of growing a transparent semiconductor layer and a saturable absorption semiconductor layer.
【００２２】金属反射膜３が薄膜状態で形成されている
のは、反射鏡の作製工程上の理由からである。すなわ
ち、該反射鏡を作製するには、燐化インジウムよりなる
結晶成長用半導体基板の表面上に透明半導体層６、可飽
和吸収半導体層５、透明半導体層４の順に結晶成長して
積層し、更に、真空蒸着装置によって金属（金）反射膜
３を蒸着する。その後、試料表面を図示しない反射鏡保
持基板に接着し、機械的研磨、溶液による組成選択的溶
解を行って基板をすべて取り去り、目的とする反射鏡構
造を得る。この際、エッチング速度が燐化インジウムに
対して大く、エッチストップ層９に対して小さなエッチ
ング溶液を使用して基板を除去し、更にエッチング速度
がエッチストップ層９に対して大きく、透明半導体層に
対して小さいエッチング溶液に変更して更にエッチング
を続行して、反射鏡構造を得る。この工程において、金
属反射膜３を、光を反射させるための平滑な金属面に形
成するのには、薄膜形成工程によるのが最も適切である
という判断のもとに、素子設計を行っている。透明半導
体層４と透明半導体層６とは、同じ組成であってもよい
し、また、従来技術のように異なる組成であってもよ
い。ただし、透明半導体層６は、溶液による溶解工程に
おいて、エッチストップ層９を十分に早く溶解し、透明
半導体層６に関する溶解速度が十分に低いという特性を
もつ溶液が得られるかどうかの判断によって組成が決定
されるべきである。The reason why the metal reflection film 3 is formed in a thin film state is because of the manufacturing process of the reflection mirror. That is, in order to fabricate the reflector, the transparent semiconductor layer 6, the saturable absorption semiconductor layer 5, and the transparent semiconductor layer 4 are grown and laminated in this order on the surface of the semiconductor substrate for crystal growth made of indium phosphide. Further, a metal (gold) reflection film 3 is deposited by a vacuum deposition apparatus. Thereafter, the sample surface is adhered to a reflector holding substrate (not shown), and mechanical polishing and composition-selective dissolution using a solution are performed to remove all the substrates, thereby obtaining a target reflector structure. At this time, the substrate is removed using an etching solution having a high etching rate with respect to indium phosphide and a small etching solution with respect to the etch stop layer 9, and further having a high etching rate with respect to the etch stop layer 9, and a transparent semiconductor layer. The etching solution is changed to a smaller etching solution and etching is further continued to obtain a reflector structure. In this step, the element is designed based on the judgment that the thin film forming step is most appropriate for forming the metal reflecting film 3 on a smooth metal surface for reflecting light. . The transparent semiconductor layer 4 and the transparent semiconductor layer 6 may have the same composition, or may have different compositions as in the prior art. However, the composition of the transparent semiconductor layer 6 is determined by judging whether the etch stop layer 9 can be dissolved sufficiently quickly in the solution dissolving step and a solution having a property that the dissolution rate of the transparent semiconductor layer 6 is sufficiently low can be obtained. Should be determined.
【００２３】また、図３に、本発明による広帯域半導体
可飽和吸収反射鏡の反射率の入射光波長依存性を、従来
例である広帯域半導体可飽和吸収反射鏡の反射率と比較
して示してある。反射率の計算においては、従来構造に
おいては、最高の反射率が達成できるように、半導体層
全体で半波長の厚さであるように設計されている。図３
の横軸は入射光の波長であり、縦軸は反射率である。図
中の一点鎖線は従来の広帯域半導体可飽和吸収反射鏡に
おいて可飽和吸収半導体層が存在しない場合の反射率で
ある。また実線は本発明による広帯域半導体可飽和吸収
反射鏡において可飽和吸収半導体層が存在しない場合の
反射率である。このように、本発明による反射率の向上
は顕著である。図中の破線及び点線は、本発明による広
帯域半導体可飽和吸収反射鏡において１％及び２％の吸
収率をもつ可飽和吸収半導体層が存在する場合の反射率
であり、当然従来例の場合の反射率に近接してくるが、
従来例においても、可飽和吸収半導体層が存在する場合
には反射率の低下が起こるのであるから、このことは本
発明の欠点とはならない。FIG. 3 shows the wavelength dependence of the reflectance of the broadband semiconductor saturable absorption mirror according to the present invention in comparison with the reflectance of the conventional broadband semiconductor saturable absorption mirror. is there. In the calculation of the reflectivity, the conventional structure is designed to have a thickness of a half wavelength over the entire semiconductor layer so that the highest reflectivity can be achieved. FIG.
The horizontal axis represents the wavelength of the incident light, and the vertical axis represents the reflectance. The dashed line in the figure indicates the reflectance of the conventional broadband semiconductor saturable absorption mirror when there is no saturable absorption semiconductor layer. The solid line indicates the reflectance of the broadband semiconductor saturable absorption mirror according to the present invention when no saturable absorption semiconductor layer is present. Thus, the improvement of the reflectance according to the present invention is remarkable. The broken line and the dotted line in the figure are the reflectivity when the saturable absorbing semiconductor layer having the absorptance of 1% and 2% exists in the broadband semiconductor saturable absorbing mirror according to the present invention, and of course, in the case of the conventional example. Comes close to the reflectance,
Even in the conventional example, when the saturable absorbing semiconductor layer is present, the reflectance is reduced, so this is not a drawback of the present invention.
【００２４】[0024]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば反
射率の高い広帯域半導体可飽和吸収反射鏡を作製するこ
とが可能となり、広帯域半導体可飽和吸収反射鏡を利用
したレーザーの発振閾値の低下、出力の向上、効率の向
上という顕著な効果が得られる。As described above, according to the present invention, a broadband semiconductor saturable absorption mirror having a high reflectance can be manufactured, and the oscillation threshold of a laser using the broadband semiconductor saturable absorption mirror can be reduced. Remarkable effects of reduction, improvement of output, and improvement of efficiency can be obtained.
【図１】本発明の広帯域半導体可飽和吸収反射鏡の断面
構造を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory view showing a cross-sectional structure of a broadband semiconductor saturable absorption reflecting mirror of the present invention.
【図２】本発明の実施例の一つである１．３μｍ帯広帯
域半導体可飽和吸収反射鏡素子の断面構造である。FIG. 2 is a cross-sectional structure of a 1.3 μm band broadband semiconductor saturable absorption reflecting mirror element as one embodiment of the present invention.
【図３】本発明の一実施例である１．３μｍ帯広帯域半
導体可飽和吸収反射鏡の反射率と従来構造の広帯域半導
体可飽和吸収反射鏡との反射率の比較を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a comparison between the reflectance of a 1.3 μm band broadband semiconductor saturable absorption reflector according to one embodiment of the present invention and the reflectance of a conventional broadband semiconductor saturable absorption mirror of a conventional structure.
【図４】従来の広帯域半導体可飽和吸収反射鏡の断面構
造を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a cross-sectional structure of a conventional broadband semiconductor saturable absorbing reflector.
１ 反射鏡保持基板 ２ 接着剤層 ３ 金属反射膜 ４，６ 透明半導体層 ５ 可飽和吸収半導体層 ７ 透明誘電体層 ８ 結晶成長基板 ９ エッチストップ層 REFERENCE SIGNS LIST 1 reflector holding substrate 2 adhesive layer 3 metal reflection film 4, 6 transparent semiconductor layer 5 saturable absorption semiconductor layer 7 transparent dielectric layer 8 crystal growth substrate 9 etch stop layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菅谷 武芳 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 鳥塚 健二 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院電子技術総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−27213（ＪＰ，Ａ) Ｒ．Ｆｌｕｃｋ ｅｔ ａｌ，”Ｂｒ ｏａｄｂａｎｄ ｓａｔｕｒａｂｌｅ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｆｏｒ 10−ｆｓ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ”, ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｍａｙ 15 1996，Ｖｏｌ．21，Ｎｏ．10，ｐ ｐ．743−745 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/08 G02B 5/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Takeyoshi Sugaya 1-1-4 Umezono, Tsukuba, Ibaraki Prefecture Within the Institute of Electronics and Technology (72) Inventor Kenji Totsuka 1-1-4 Umezono, Tsukuba, Ibaraki Industrial (56) References JP-A-57-27213 (JP, A) See Fluck et al, "Broadband saturated absorber for 10-fs pulse generation", OPTICS LETTERS, May 15 1996, Vol. 21, No. 10, pp. 743-745 (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) H01S 3/08 G02B 5/00
Claims (3)
所定波長範囲の光に対して可飽和吸収特性を持つ半導体
薄膜を含む半導体多層膜構造を有して、該所定波長範囲
の入射光が該半導体多層膜構造を透過した後、該半導体
多層膜構造に隣接した金属面により反射される可飽和吸
収反射鏡において、 該金属面と該半導体多層膜構造の間に、該所定波長範囲
の光に対して透明でありかつ該波長範囲の光に対する屈
折率が該半導体多層膜構造に比べて小さい誘電体物質の
薄膜を付加したことを特徴とする可飽和吸収反射鏡。1. A smooth metal surface for reflecting light,
A semiconductor multilayer structure including a semiconductor thin film having a saturable absorption characteristic for light in a predetermined wavelength range, and after the incident light in the predetermined wavelength range passes through the semiconductor multilayer structure, the semiconductor multilayer structure A saturable absorption mirror that is reflected by a metal surface adjacent to the metal surface, between the metal surface and the semiconductor multilayer structure, is transparent to light in the predetermined wavelength range and has a refractive index for light in the wavelength range. Wherein a thin film of a dielectric substance smaller than the semiconductor multilayer structure is added.
ちＳｉＯ２を使用することを特徴とする請求項１に記載
の可飽和吸収反射鏡。2. The saturable absorption mirror according to claim 1, wherein silica, ie, SiO 2 is used as the dielectric material.
わちＡｌ２Ｏ３を使用することを特徴とする請求項１に
記載の可飽和吸収反射鏡。3. The saturable absorption mirror according to claim 1, wherein the dielectric material is alumina, that is, Al 2 O 3 .
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|---|
| Ｒ．Ｆｌｕｃｋ ｅｔ ａｌ，"Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｓａｔｕｒａｂｌｅ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｆｏｒ １０−ｆｓ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ"，ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｍａｙ １５ １９９６，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１０，ｐｐ．７４３−７４５ |
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