JP5841546B2 - マルチモードのモノリシック垂直共振器面発光レーザアレイ及びこれを含むレーザシステム - Google Patents
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Description
図1Aは、本発明の1つ以上の実施形態に従って構成される一例のモノリシックVCSELアレイ100の等角図を示す。VCSELアレイ100は、分布ブラッグ反射体(「DBR」)104上に配置される発光層102を含む。DBR104は更に基板106上に配置され、基板106は第1の電極108上に配置される。VCSELアレイ100は、発光層102上に配置される絶縁層110、層110上に配置される回折格子層112、及び回折格子層112上に配置される第2の電極114も含む。図1Aの例において示されるように、第2の電極114は、4つの長方形の開口部116〜119を有するように構成され、各開口部は回折格子層112の一部を露出させる。矢印120〜123によって示されるように、各開口部によって、発光層102から放射される光の縦モード又は軸モードが、層のxy平面に対して実質的に垂直にVCSELから出られるようになる(すなわち、光の縦モードはz方向において各開口部を通ってVCSELアレイ100から放射される)。
上記のように、回折格子層112のSWG132〜135は、発光層102の上方に浮いた状態で支持される平面膜として実装される。本発明の1つ以上の実施形態に従って構成されるSWGは、VCSELアレイ100の対応する共振器の中に反射して戻される光の波面の形状の制御、及び図1Aに示されるように、第2の電極114内の対応する開口部を通って放射される光の波面の形状の制御を含む、反射機能を提供する。これは、SWGの高い反射率に実質的に影響を及ぼすことなく、SWGから反射される光の位相を制御する非周期的なサブ波長回折格子パターンを有するように各SWGを構成することによって成し遂げることができる。後に示されるように、或る実施形態では、SWGが円筒鏡又は球面鏡として動作できるようにする回折格子パターンを有するように、SWGを構成することができる。
本発明の実施形態は、回折格子層の各SWGを鏡として動作するように構成することができるいくつかの方法を含む。所望の波面を有する光を反射するようにSWGを構成するための第1の方法は、SWGの回折格子層のための反射係数プロファイルを求めることを含む。反射係数は、以下の式によって表される複素数値関数である。
VCSELアレイの各VCSELは同じように動作するので、VCSELアレイ100の1つのVCSELのみの動作が説明される。図11A及び図11Bは、本発明の1つ以上の実施形態に従って動作するVCSELアレイ100の1つの空洞共振器の断面図を示す。図11Aに示されるように、電極114及び108が、発光層102を電子的にポンピングするために用いられる電圧源1102に電子的に結合される。図11Aは、SWG1106の一部、空隙1108、発光層102の一部及びDBR104の一部の拡大図1104を含む。SWG1106は、SWG132〜135のうちの1つを表す。VCSELアレイ100にバイアスがかけられないとき、QW210は、対応する伝導帯内に相対的に低い濃度の電子、及び対応する価電子帯内に相対的に低い濃度の空電子状態、すなわち、正孔を有し、発光層102から光はほとんど放射されない。一方、VCSELアレイ100の層に順方向バイアスがかけられるとき、QW210の伝導帯内に電子が注入され、一方、QW210の価電子帯内に正孔が注入され、反転分布と呼ばれるプロセスにおいて、過剰な伝導帯電子及び過剰な価電子帯正孔を生成する。「電子−正孔再結合」又は「再結合」と呼ばれる放射プロセスにおいて、伝導帯内の電子は価電子帯内の正孔と自発的に再結合する。電子及び正孔が再結合するとき、最初に、或る波長範囲にわたって全ての方向において光が放射される。順バイアス方向において、適切な動作電圧が印加される限り、QW210において電子及び正孔反転分布が保持され、電子が正孔と自発的に再結合し、ほぼ全ての方向において光を放射することができる。
Claims (13)
- モノリシック面発光レーザアレイであって、
反射層と、
発光層(102)と、
2つ以上の非周期的なサブ波長回折格子を含む回折格子層(112)であって、該サブ波長回折格子は複数の1次元回折格子サブパターンを含み、該1次元回折格子サブパターンは、溝と当該溝によって分離される各ラインとを含み、それぞれの当該1次元回折格子サブパターン内でデューティーサイクル及びラインの厚みは一定であり、それぞれのサブ波長回折格子内における異なる1次元回折格子サブパターンで同じ周期であるが異なるデューティサイクルを有し、該デューティサイクルが該サブ波長回折格子の中心から離れるに従って減少するように構成され、前記サブ波長回折格子における該ラインから反射した光と当該ライン以外の部分から反射した光との間に所定の位相差が形成され、各々のサブ波長回折格子からの反射光を焦点に合焦させるように構成される、回折格子層と
を備えてなり、各サブ波長回折格子は前記反射層とともに空洞共振器を形成するように構成され、各サブ波長回折格子は、1つ以上の内部共振器モードを実現し、かつ前記サブ波長回折格子を通って放射される1つの横モードであるTEMモードを実現する回折格子パターンを用いて構成され、各サブ波長回折格子(132、133)は、該サブ波長回折格子と前記発光層との間に空隙(216、217)を形成する、浮いた状態で支持される平面膜として実装される、モノリシック面発光レーザアレイ。 - 前記反射層上に配置される基板(106)と、
前記基板上に配置される第1の電極(108)と、
前記回折格子層上に配置される第2の電極(114)であって、該第2の電極は2つ以上の開口部を有するように構成され、各開口部は前記2つ以上のサブ波長回折格子のうちの1つを露出させるように構成される、第2の電極(114)と
を更に備える、請求項1に記載のレーザアレイ。 - 前記反射層は分布ブラッグ反射体(104)を更に備える、請求項1に記載のレーザアレイ。
- 前記反射層は、2つ以上の非周期的なサブ波長回折格子(1604)を用いて構成される第2の回折格子層(1602)を更に備えており、該第2の回折格子層内の各サブ波長回折格子は、前記回折格子層(112)内の前記2つ以上のサブ波長回折格子と空洞共振器を形成するように位置合わせされる、請求項1に記載のレーザアレイ。
- 前記回折格子パターンは溝(300)によって分離されるラインの1次元パターンを更に備える、請求項1又は4に記載のレーザアレイ。
- 前記発光層と前記回折格子層との間に配置される絶縁層(110)を更に備え、電流を閉じ込めるとともに前記発光層から放射される光を光学的に閉じ込めるための、前記サブ波長回折格子と位置合わせされる前記絶縁層内の2つ以上の開口部(126〜128)を含む、請求項1に記載のレーザアレイ。
- 各空洞共振器内で増幅され、該空洞共振器から放射される光は、対応する各サブ波長回折格子の回折格子パターンに基づいて偏光されるか又は偏光されない、請求項1に記載のレーザアレイ。
- 前記回折格子層の2つ以上のサブ波長回折格子のそれぞれが、縦モードが単一モードの光を放射するための単一モード空洞共振器を形成するように構成される、請求項1に記載のレーザアレイ。
- 1つ以上の内部共振器モードを実現する回折格子パターンを用いて構成される各サブ波長回折格子は、結果としてドーナツ形の輝度断面を有する光ビームを生成する回折格子パターンを更に備える、請求項1に記載のレーザアレイ。
- 1つ以上の前記サブ波長回折格子は、前記反射層を用いる半球形共振器(1302)を形成するように構成することができる、請求項1に記載のレーザアレイ。
- レーザシステム(1700)であって、
請求項1に従って構成される2つ以上の面発光レーザ(VCSEL)(1702〜1708)を含むモノリシック面発光レーザアレイ(1701)と、
多導波路ファイバ(1710)と
を備えており、各面発光レーザ(VCSEL)(1702〜1708)から放射される光が対応する導波路(1712〜1718)の中に結合され、該導波路によって伝搬されるように、各導波路は前記レーザアレイの面発光レーザと位置合わせされる、レーザシステム。 - 前記多導波路ファイバは、複数のコア(1714)を有するように構成されるフォトニック結晶ファイバ(1712)であって、各コアは前記レーザアレイの面発光レーザと位置合わせされる、請求項11に記載のレーザシステム。
- 前記多導波路ファイバは一群の中空導波路であって、各中空導波路は前記レーザアレイの面発光レーザと位置合わせされる、請求項11に記載のレーザシステム。
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