JPH0730181A - 面発光型第２高調波生成素子 - Google Patents
面発光型第２高調波生成素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 常温で高効率かつ高出力の第２高調波を発生
でき、しかも小型，低エネルギー消費，低製造コストの
面発光型第２高調波生成素子を提供する。 【構成】 共振器内の半導体結晶の〈１００〉が光射方
向と５°以上の角をなす場合（特に〈１１１〉、〈２１
１〉、〈１１０〉の何れかが光射方向とほぼ一致するよ
うな場合）には、第２高調波が効率良く生成される。さ
らに、光射側反射鏡１０とスペーサ層６との間に、ＩＩ
Ｉ−ＶまたはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体からなる第２
高調波発生層９を形成すれば、第２高調波をより高効率
で生成できる。また、スペーサ層６を、超格子により形
成することもでき、活性層５およびスペーサ層４，６を
超格子により形成することもできる。スペーサ層や活性
層に位相整合層としての作用を持たせることで高効率の
第２高調波を生成することもできる。
でき、しかも小型，低エネルギー消費，低製造コストの
面発光型第２高調波生成素子を提供する。 【構成】 共振器内の半導体結晶の〈１００〉が光射方
向と５°以上の角をなす場合（特に〈１１１〉、〈２１
１〉、〈１１０〉の何れかが光射方向とほぼ一致するよ
うな場合）には、第２高調波が効率良く生成される。さ
らに、光射側反射鏡１０とスペーサ層６との間に、ＩＩ
Ｉ−ＶまたはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体からなる第２
高調波発生層９を形成すれば、第２高調波をより高効率
で生成できる。また、スペーサ層６を、超格子により形
成することもでき、活性層５およびスペーサ層４，６を
超格子により形成することもできる。スペーサ層や活性
層に位相整合層としての作用を持たせることで高効率の
第２高調波を生成することもできる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、面発光型第２高調波生
成素子に関し、基板と垂直方向に第２高調波（特に、紫
外，青色，緑色の単色光）を高効率で取り出すことを可
能とする上記素子に関する。
成素子に関し、基板と垂直方向に第２高調波（特に、紫
外，青色，緑色の単色光）を高効率で取り出すことを可
能とする上記素子に関する。
【０００２】
【技術背景】光応用測定，光通信，光表示の分野、その
他の各種オプトエレクトロニクスの分野において、青色
光源としてレーザ光やＬＥＤ光が用いられている。ＬＥ
Ｄを用いた光発生装置（特に、青色光を発生できるも
の）として、ＧａＮ系半導体を用いたもの（例えば、S.
Nakamura, T.Mukai, and M.Senoh: Jpn. J.Appl. Phys.
Vol.30 (1991)L1998 参照）が知られているが、ＬＥ
Ｄ光は波長幅が広い（単一波長を生成できない）ため、
近年オプトエレクトロニクスの分野ではＬＥＤ以上にレ
ーザが広く使用されるに至っている。
他の各種オプトエレクトロニクスの分野において、青色
光源としてレーザ光やＬＥＤ光が用いられている。ＬＥ
Ｄを用いた光発生装置（特に、青色光を発生できるも
の）として、ＧａＮ系半導体を用いたもの（例えば、S.
Nakamura, T.Mukai, and M.Senoh: Jpn. J.Appl. Phys.
Vol.30 (1991)L1998 参照）が知られているが、ＬＥ
Ｄ光は波長幅が広い（単一波長を生成できない）ため、
近年オプトエレクトロニクスの分野ではＬＥＤ以上にレ
ーザが広く使用されるに至っている。
【０００３】例えば、ＺｎＣｄＳＳｅ系の半導体レーザ
には、良好な青色光出力を得ることができるものがある
（例えば、M.A.Hasse, J.Qiu, J.M.DePuydt and H.Chen
g :Appl. Phys. Lett. Vol.59 (1991)1272 参照）。し
かし、従来、このような装置は、常温領域で光出力を得
るには、信頼性、実用性の面で問題があるとされてい
る。
には、良好な青色光出力を得ることができるものがある
（例えば、M.A.Hasse, J.Qiu, J.M.DePuydt and H.Chen
g :Appl. Phys. Lett. Vol.59 (1991)1272 参照）。し
かし、従来、このような装置は、常温領域で光出力を得
るには、信頼性、実用性の面で問題があるとされてい
る。
【０００４】また、非線形光学結晶（ＬｉＮｂＯ３やＫ
ＮｂＯ３などの誘電体、ＧａＡｓなどの半導体、有機物
など）に、高出力固体レーザ光または高出力半導体レー
ザ光を入射させ第２高調波を発生させる方式の発光素子
が知られている（例えば、A.Yariv : Introduction to
Optical Electronics, 3rd ed. (Holt, Rinehart and
Winston, New York 1985); 多田邦雄，神谷武志 訳
「光エレクトロニクスの基礎」：丸善株式会社 参
照）。この素子は、例えば、図６に示すように、一対の
光学的な反射鏡２１，２２間にレーザ源２３と非線形光
学結晶２４を配置し、レーザ光を非線形光学結晶２４に
照射して第２高調波を生成し、第２高調波透過性が高い
一方の反射鏡２２から青色光を取り出している。しか
し、上記素子は、大きさが大きくなるとともに、製作コ
ストが増大するといった不都合があり、また複数の部材
（反射鏡２１，２２、レーザ源２３、非線形結晶２４
等）を組み合せて構成するので、調整が極めて困難であ
るとともに、出力が不安定であるなどの問題がある。
ＮｂＯ３などの誘電体、ＧａＡｓなどの半導体、有機物
など）に、高出力固体レーザ光または高出力半導体レー
ザ光を入射させ第２高調波を発生させる方式の発光素子
が知られている（例えば、A.Yariv : Introduction to
Optical Electronics, 3rd ed. (Holt, Rinehart and
Winston, New York 1985); 多田邦雄，神谷武志 訳
「光エレクトロニクスの基礎」：丸善株式会社 参
照）。この素子は、例えば、図６に示すように、一対の
光学的な反射鏡２１，２２間にレーザ源２３と非線形光
学結晶２４を配置し、レーザ光を非線形光学結晶２４に
照射して第２高調波を生成し、第２高調波透過性が高い
一方の反射鏡２２から青色光を取り出している。しか
し、上記素子は、大きさが大きくなるとともに、製作コ
ストが増大するといった不都合があり、また複数の部材
（反射鏡２１，２２、レーザ源２３、非線形結晶２４
等）を組み合せて構成するので、調整が極めて困難であ
るとともに、出力が不安定であるなどの問題がある。
【０００５】さらに、通常のストライプ型のＧａＡｓ系
またはＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの端面から第２高調
波を取り出すもの（例えば、N.Ogasawara, R. Ito, H.R
okukawa and W.Katsurashima : Jpn. J. Appl. Phys. V
ol26(1987)1386 参照）も知られているが、この素子
は、端面反射率が低いために素子内部での基本波パワー
が低く、また共振器が長いために吸収損失が大きく、さ
らに位相整合をとるための構造を施すことが極めて困難
である。このため、高効率で第２高調波を発生させるこ
とができないといった問題がある。
またはＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの端面から第２高調
波を取り出すもの（例えば、N.Ogasawara, R. Ito, H.R
okukawa and W.Katsurashima : Jpn. J. Appl. Phys. V
ol26(1987)1386 参照）も知られているが、この素子
は、端面反射率が低いために素子内部での基本波パワー
が低く、また共振器が長いために吸収損失が大きく、さ
らに位相整合をとるための構造を施すことが極めて困難
である。このため、高効率で第２高調波を発生させるこ
とができないといった問題がある。
【０００６】また、共振器に対して垂直方向の素子表面
から第２高調波を取り出すものも考えられている（例え
ば、D.Vakhshoori, R.J.Fisher, M.Hong, D.L.Sivco,G.
J.Zydzik, G.N.S.Chu and A.Y.Cho : Appl. Phys. Let
t. Vol59(1991)896 参照）が、この素子は、上記端面か
ら第２高調波を取り出すものと同様の理由から第２高調
波出力が小さく、しかも出力光が広範囲で広がるので集
光が容易でないといった不都合があり、現状では未だ実
用には至っていない。
から第２高調波を取り出すものも考えられている（例え
ば、D.Vakhshoori, R.J.Fisher, M.Hong, D.L.Sivco,G.
J.Zydzik, G.N.S.Chu and A.Y.Cho : Appl. Phys. Let
t. Vol59(1991)896 参照）が、この素子は、上記端面か
ら第２高調波を取り出すものと同様の理由から第２高調
波出力が小さく、しかも出力光が広範囲で広がるので集
光が容易でないといった不都合があり、現状では未だ実
用には至っていない。
【０００７】本発明者等は、上記のような不都合や問題
点を解決するために、先に、常温近傍（例えば、−３０
〜＋１００℃）において、高効率かつ高出力でしかも短
波長の第２高調波を発生し得る面発光型第２高調波生成
素子として、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体結晶を活性層
として使用したものを提案した（特開平４−１２２５８
３号）。
点を解決するために、先に、常温近傍（例えば、−３０
〜＋１００℃）において、高効率かつ高出力でしかも短
波長の第２高調波を発生し得る面発光型第２高調波生成
素子として、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体結晶を活性層
として使用したものを提案した（特開平４−１２２５８
３号）。
【０００８】本発明者等は、上記のような先提案を基礎
として更に研究をすすめたところ、（１）ＩＩ−ＶＩ系
化合物半導体結晶を活性層に使用した場合にも、常温近
傍（例えば、−３０〜＋１００℃）で、高効率かつ高出
力の第２高調波を発生でき、しかも小型、低エネルギー
消費、低製造コストの面発光型第２高調波生成素子を得
ることができること、（２）更に、位相整合層は、必ず
しも超格子構造を採る必要がないこと、（３）（２）の
ことは、先提案のＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体結晶を活
性層に使用した面発光型第２高調波生成素子についても
言えること、（４）位相整合層に超格子を採る場合、近
年の半導体結晶の成長技術の進歩により、結晶軸を変え
ながら結晶成長させることが、上記超格子についても可
能であること、の知見を得た。
として更に研究をすすめたところ、（１）ＩＩ−ＶＩ系
化合物半導体結晶を活性層に使用した場合にも、常温近
傍（例えば、−３０〜＋１００℃）で、高効率かつ高出
力の第２高調波を発生でき、しかも小型、低エネルギー
消費、低製造コストの面発光型第２高調波生成素子を得
ることができること、（２）更に、位相整合層は、必ず
しも超格子構造を採る必要がないこと、（３）（２）の
ことは、先提案のＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体結晶を活
性層に使用した面発光型第２高調波生成素子についても
言えること、（４）位相整合層に超格子を採る場合、近
年の半導体結晶の成長技術の進歩により、結晶軸を変え
ながら結晶成長させることが、上記超格子についても可
能であること、の知見を得た。
【０００９】
【発明の目的】本発明の目的は、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物
半導体結晶、ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体結晶の何れを
使用しても、上記のような優れた諸特性を備え得る面発
光型第２高調波生成素子を提供するこにある。また、本
発明の別の目的は、先提案のＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導
体結晶を使用した面発光型第２高調波生成素子よりコス
ト的に更に改良されたものを提供することにある。さら
に、他の目的は、広い波長領域での第２高調波を発生さ
せる面発光型第２高調波生成素子を提供することにあ
る。また、さらに別の目的は、常温で高効率で第２高調
波を発生させる面発光型第２高調波生成素子を提供する
ことにある。
半導体結晶、ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体結晶の何れを
使用しても、上記のような優れた諸特性を備え得る面発
光型第２高調波生成素子を提供するこにある。また、本
発明の別の目的は、先提案のＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導
体結晶を使用した面発光型第２高調波生成素子よりコス
ト的に更に改良されたものを提供することにある。さら
に、他の目的は、広い波長領域での第２高調波を発生さ
せる面発光型第２高調波生成素子を提供することにあ
る。また、さらに別の目的は、常温で高効率で第２高調
波を発生させる面発光型第２高調波生成素子を提供する
ことにある。
【００１０】
【発明の概要】ところで、最近、基板と垂直方向に共振
器を形成してなる面発光レーザが注目されている（ 例
えば、伊賀健一，小山二三夫著 「面発光レーザ」：オ
ーム社１９９０ 参照）。これらの面発光レーザは、例
えば、光磁気ディスク装置におけるデータの書き込み
や読み出し用の光源、フォトルミネセッンスを利用し
た医療機器の光源、レーザを用いたディスプレイにお
ける光源等として使用される。
器を形成してなる面発光レーザが注目されている（ 例
えば、伊賀健一，小山二三夫著 「面発光レーザ」：オ
ーム社１９９０ 参照）。これらの面発光レーザは、例
えば、光磁気ディスク装置におけるデータの書き込み
や読み出し用の光源、フォトルミネセッンスを利用し
た医療機器の光源、レーザを用いたディスプレイにお
ける光源等として使用される。
【００１１】この種の面発光レーザは、例えば図７に示
すように、いわゆる（１００）基板（基板面方位が基板
を構成する結晶の［１００］方位に一致するように構成
した基板）に、活性領域３２を含む垂直共振器３３を形
成し、この垂直共振器の両端に高い反射率を有する反射
鏡３４，３５を形成して構成される。この反射鏡３４，
３５としては、一般的には半導体多層膜または誘電体多
層膜が用いられる。このような面発光レーザは、常温で
は出力が数ｍＷまでは単一波長で単一モード発振する。
このときの、発振器内部での光強度は、上記出力の１０
０倍以上すなわち数百ｍＷ以上と見積られている。
すように、いわゆる（１００）基板（基板面方位が基板
を構成する結晶の［１００］方位に一致するように構成
した基板）に、活性領域３２を含む垂直共振器３３を形
成し、この垂直共振器の両端に高い反射率を有する反射
鏡３４，３５を形成して構成される。この反射鏡３４，
３５としては、一般的には半導体多層膜または誘電体多
層膜が用いられる。このような面発光レーザは、常温で
は出力が数ｍＷまでは単一波長で単一モード発振する。
このときの、発振器内部での光強度は、上記出力の１０
０倍以上すなわち数百ｍＷ以上と見積られている。
【００１２】本発明者等は、図７に例示したような活性
層にＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体を用いた垂直共振器型
の面発光レーザの他、活性層にＩＩ−ＶＩ族系化合物半
導体を用いた面発光レーザも、 基本波を第２高調波へ変換する際の効率は、基本波の
パワーに比例するため、垂直共振器レーザ内部で第２高
調波を生成できれば、基本波の光強度が第２高調波の生
成に極めて有利となること、 垂直共振器レーザは、一対の反射鏡を有しており、一
方の反射鏡に第２高調波を透過させるための特性を持た
せることができること、 非線形係数の大きい結晶で作られていること、 上記の第２高調波発生が常温近傍で可能であること、 等に着目した。そして、さらに検討を重ねた結果、位相
整合層を上記垂直共振器面発光レーザ内に形成すること
で、小型、低エネルーギ消費かつ低作成コストの第２高
調波生成素子を製造できるとの知見を得た。
層にＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体を用いた垂直共振器型
の面発光レーザの他、活性層にＩＩ−ＶＩ族系化合物半
導体を用いた面発光レーザも、 基本波を第２高調波へ変換する際の効率は、基本波の
パワーに比例するため、垂直共振器レーザ内部で第２高
調波を生成できれば、基本波の光強度が第２高調波の生
成に極めて有利となること、 垂直共振器レーザは、一対の反射鏡を有しており、一
方の反射鏡に第２高調波を透過させるための特性を持た
せることができること、 非線形係数の大きい結晶で作られていること、 上記の第２高調波発生が常温近傍で可能であること、 等に着目した。そして、さらに検討を重ねた結果、位相
整合層を上記垂直共振器面発光レーザ内に形成すること
で、小型、低エネルーギ消費かつ低作成コストの第２高
調波生成素子を製造できるとの知見を得た。
【００１３】本発明の面発光型第２高調波生成素子は、
上記知見に基づきなされたもので、ＩＩＩ−Ｖ族系また
はＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体結晶よりなる活性層と、
該活性層の両側に形成されたスペーサ層と、さらに両ス
ペーサ層の活性層とは反対側に位置して形成され、一方
が第２高調波を所定率で透過させる、一対の反射鏡と、
を共振器として有してなり、前記共振器内の半導体結晶
の〈１００〉方位が光射方向と５°以上の角度をなすこ
とを特徴とする。また、共振器内の半導体結晶の〈１１
１〉，〈２１１〉，〈１１０〉方位のいずれかが光射出
方向にほぼ一致することをも特徴とする。なお、〈ａｂ
ｃ〉（ａ，ｂ，ｃは整数）は［ａｂｃ］と等価な方位を
表すための表記であり、例えば、〈１００〉は（表１）
に示す方位を意味している。
上記知見に基づきなされたもので、ＩＩＩ−Ｖ族系また
はＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体結晶よりなる活性層と、
該活性層の両側に形成されたスペーサ層と、さらに両ス
ペーサ層の活性層とは反対側に位置して形成され、一方
が第２高調波を所定率で透過させる、一対の反射鏡と、
を共振器として有してなり、前記共振器内の半導体結晶
の〈１００〉方位が光射方向と５°以上の角度をなすこ
とを特徴とする。また、共振器内の半導体結晶の〈１１
１〉，〈２１１〉，〈１１０〉方位のいずれかが光射出
方向にほぼ一致することをも特徴とする。なお、〈ａｂ
ｃ〉（ａ，ｂ，ｃは整数）は［ａｂｃ］と等価な方位を
表すための表記であり、例えば、〈１００〉は（表１）
に示す方位を意味している。
【００１４】
【表１】
【００１５】以下、上記本発明における第２高調波生成
の原理を説明する。なお、結晶面や結晶面の方位を示す
場合、オーバーラインを付した数字が用いられるが、以
下においては、結晶面や結晶面方位を表示するために、
マイナス符号を該数字に付する表示方法を併用する。一
般に、基本波から第２高調波を生成する場合、非線形光
学結晶が用いられる。本発明では、このような結晶とし
て、例えば、閃亜鉛鉱型結晶構造のものが使用される。
閃亜鉛鉱型結晶に光が伝搬すると、結晶に２次の（周波
数が基本波の２倍の）非線形性分極ＰＮＬが誘起され、
該分極ＰＮＬの大きさに比例する電場をもつ第２高調波
が生成される。なお、生成される第２高調波の大きさ
は、共振器内の（位相整合層を含む）半導体結晶の面方
位に依存する。共振器内の半導体結晶の面方位は、基板
を構成する結晶の面方位と同一方位を持つ場合が多い。
以下、説明を簡略にする目的で基板結晶の面方位を結晶
面方位として説明する。
の原理を説明する。なお、結晶面や結晶面の方位を示す
場合、オーバーラインを付した数字が用いられるが、以
下においては、結晶面や結晶面方位を表示するために、
マイナス符号を該数字に付する表示方法を併用する。一
般に、基本波から第２高調波を生成する場合、非線形光
学結晶が用いられる。本発明では、このような結晶とし
て、例えば、閃亜鉛鉱型結晶構造のものが使用される。
閃亜鉛鉱型結晶に光が伝搬すると、結晶に２次の（周波
数が基本波の２倍の）非線形性分極ＰＮＬが誘起され、
該分極ＰＮＬの大きさに比例する電場をもつ第２高調波
が生成される。なお、生成される第２高調波の大きさ
は、共振器内の（位相整合層を含む）半導体結晶の面方
位に依存する。共振器内の半導体結晶の面方位は、基板
を構成する結晶の面方位と同一方位を持つ場合が多い。
以下、説明を簡略にする目的で基板結晶の面方位を結晶
面方位として説明する。
【００１６】いま、ｘ−ｙ−ｚ直交座標系のｘ軸を基板
面の法線方向にとり、該ｘ軸方向に基本波が伝搬する場
合を考察する。分極ＰＮＬのｘ，ｙ，ｚ成分、
ＰＮＬｘ，ＰＮＬｙ，ＰＮＬｚは、（数１）に示す式で
表すことができる。
面の法線方向にとり、該ｘ軸方向に基本波が伝搬する場
合を考察する。分極ＰＮＬのｘ，ｙ，ｚ成分、
ＰＮＬｘ，ＰＮＬｙ，ＰＮＬｚは、（数１）に示す式で
表すことができる。
【００１７】
【数１】
【００１８】ここで、ＰＮＬｘ，ＰＮＬｙ，Ｐ
ＮＬｚは、分極ＰＮＬのｘ，ｙ，ｚ成分であり、ｄｍｎ
（ｍ＝１，２，３、ｎ＝１，２，・・・，６）からなる
行列は基本波の電場と非線形分極を結びつける係数を要
素としている。Ｅｘ，Ｅｙ，Ｅｚは基本波の光電場の
ｘ，ｙ，ｚ成分である。なお、以下では基本波はｘ軸方
向に伝搬するとしているので、常にＥｘ＝０とできる。
しばしば、記号ｄｍｎを要素として持つ行列は、ｘ軸が
［１００］、ｙ軸が［０１０］、ｚ軸が［００１］であ
る場合に対してのみ定義される。ここでは、この定義を
一般化し、いかなる直交するｘ，ｙ，ｚ軸に対しても同
じ記号を用いるものとする。
ＮＬｚは、分極ＰＮＬのｘ，ｙ，ｚ成分であり、ｄｍｎ
（ｍ＝１，２，３、ｎ＝１，２，・・・，６）からなる
行列は基本波の電場と非線形分極を結びつける係数を要
素としている。Ｅｘ，Ｅｙ，Ｅｚは基本波の光電場の
ｘ，ｙ，ｚ成分である。なお、以下では基本波はｘ軸方
向に伝搬するとしているので、常にＥｘ＝０とできる。
しばしば、記号ｄｍｎを要素として持つ行列は、ｘ軸が
［１００］、ｙ軸が［０１０］、ｚ軸が［００１］であ
る場合に対してのみ定義される。ここでは、この定義を
一般化し、いかなる直交するｘ，ｙ，ｚ軸に対しても同
じ記号を用いるものとする。
【００１９】いま、図４（Ａ）に示すように、［１０
０］がｘ軸に、［０１０］がｙ軸に、［００１］がｚ軸
に向くような基板を考える。この基板では、行列要素ｄ
ｍｎは、図４（Ａ）の行列に示すようにｄ１４＝ｄ２５
＝ｄ３６が０以外の値（同図（Ａ）では説明の便宜上
１．０００としてある）を持ち、他の行列要素は０とな
る。このような、基板内をｘ軸方向に光が伝搬すると、
ＰＮＬｙおよびＰＮＬｚは共に０となるため、分極によ
り生じた第２高調波は、ｘ軸方向（基板面に垂直な方
向）には伝搬しない。
０］がｘ軸に、［０１０］がｙ軸に、［００１］がｚ軸
に向くような基板を考える。この基板では、行列要素ｄ
ｍｎは、図４（Ａ）の行列に示すようにｄ１４＝ｄ２５
＝ｄ３６が０以外の値（同図（Ａ）では説明の便宜上
１．０００としてある）を持ち、他の行列要素は０とな
る。このような、基板内をｘ軸方向に光が伝搬すると、
ＰＮＬｙおよびＰＮＬｚは共に０となるため、分極によ
り生じた第２高調波は、ｘ軸方向（基板面に垂直な方
向）には伝搬しない。
【００２０】次に、図４（Ｂ）に示すように、同図
（Ａ）の基板結晶をｘ軸を中心に−４５°回転させた場
合、すなわち、［１００］がｘ軸に、［０１１］がｙ軸
に、［０−１１］がｚ軸に向くような基板の場合も行列
要素からわかるように、第２高調波はｘ軸方向には伝搬
しない。
（Ａ）の基板結晶をｘ軸を中心に−４５°回転させた場
合、すなわち、［１００］がｘ軸に、［０１１］がｙ軸
に、［０−１１］がｚ軸に向くような基板の場合も行列
要素からわかるように、第２高調波はｘ軸方向には伝搬
しない。
【００２１】さて、ｘ軸が［１００］に向いていない場
合について、ここでは議論をわかり易くするために、図
４（Ｂ）の基板をｚ軸（または［０−１１］軸）を中心
にｘからｙ方向に回転させた場合について代表的ないく
つかの例を示し、第２高調波生成効率の変化について説
明する。それらの例を、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す。回
転角はそれぞれ−５°，約−３５．３°，約−５４．７
°で、特に図５（Ｂ）では、［２１１］にｘ軸、［−１
１１］にｙ軸、［０−１１］にｚ軸が向いており、図５
（Ｃ）では［１１１］にｘ軸、［−２１１］にｙ軸、
［０−１１］にｚ軸が向いている。なお、図４（Ａ），
（Ｂ）、図５（Ａ）〜（Ｃ）にはそれらの座標軸に対応
する非線形係数行列の行列要素も示してある。
合について、ここでは議論をわかり易くするために、図
４（Ｂ）の基板をｚ軸（または［０−１１］軸）を中心
にｘからｙ方向に回転させた場合について代表的ないく
つかの例を示し、第２高調波生成効率の変化について説
明する。それらの例を、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す。回
転角はそれぞれ−５°，約−３５．３°，約−５４．７
°で、特に図５（Ｂ）では、［２１１］にｘ軸、［−１
１１］にｙ軸、［０−１１］にｚ軸が向いており、図５
（Ｃ）では［１１１］にｘ軸、［−２１１］にｙ軸、
［０−１１］にｚ軸が向いている。なお、図４（Ａ），
（Ｂ）、図５（Ａ）〜（Ｃ）にはそれらの座標軸に対応
する非線形係数行列の行列要素も示してある。
【００２２】これらの行列要素からわかるように、図４
（Ｂ）から図５（Ｃ）に至る回転操作に於いて、Ｅｘ＝
０に注意すると、ｘ軸方向に伝搬する第２高調波に寄与
する非線形分極ＰＮＬｙおよびＰＮＬｚは、 ＰＮＬｙ＝ｄ２２ＥｙＥｙ＋ｄ２３ＥｚＥｚ ＰＮＬｚ＝２ｄ２３ＥｙＥｚ （ただし、ｄ３４＝ｄ２３であることに注意）と書くこ
とができる。
（Ｂ）から図５（Ｃ）に至る回転操作に於いて、Ｅｘ＝
０に注意すると、ｘ軸方向に伝搬する第２高調波に寄与
する非線形分極ＰＮＬｙおよびＰＮＬｚは、 ＰＮＬｙ＝ｄ２２ＥｙＥｙ＋ｄ２３ＥｚＥｚ ＰＮＬｚ＝２ｄ２３ＥｙＥｚ （ただし、ｄ３４＝ｄ２３であることに注意）と書くこ
とができる。
【００２３】簡略して説明すると、この回転に於いて、
−ｄ２２≧ｄ２３≧０であるために、一定の基本波 Ｅ＝（Ｅｙ ２＋Ｅｚ ２）１／２ に対し、ｙ−ｚ平面内の分極 ＰＮＬ＝（ＰＮＬｙ ２＋ＰＮＬｚ ２）１／２ は、基本波がｙ軸方向に偏光している場合（すなわち、
Ｅｚ＝０，Ｅ＝Ｅｙ）に、最大となる。一方、基本波が
ｙ軸方向に偏光しているとすると、回転角度が大きくな
るに従い、ＰＮＬは増加し、図５（Ｂ）の場合に最大値
となる。さらに、回転角度を大きくすると再び減少する
が、図５（Ｃ）の場合には−ｄ２２＝ｄ２３となるの
で、 ＰＮＬ＝−ｄ２２Ｅ２ となり、第２高調波生成効率が基本波の偏光方向には依
存しない良好な特性を得ることができる。
−ｄ２２≧ｄ２３≧０であるために、一定の基本波 Ｅ＝（Ｅｙ ２＋Ｅｚ ２）１／２ に対し、ｙ−ｚ平面内の分極 ＰＮＬ＝（ＰＮＬｙ ２＋ＰＮＬｚ ２）１／２ は、基本波がｙ軸方向に偏光している場合（すなわち、
Ｅｚ＝０，Ｅ＝Ｅｙ）に、最大となる。一方、基本波が
ｙ軸方向に偏光しているとすると、回転角度が大きくな
るに従い、ＰＮＬは増加し、図５（Ｂ）の場合に最大値
となる。さらに、回転角度を大きくすると再び減少する
が、図５（Ｃ）の場合には−ｄ２２＝ｄ２３となるの
で、 ＰＮＬ＝−ｄ２２Ｅ２ となり、第２高調波生成効率が基本波の偏光方向には依
存しない良好な特性を得ることができる。
【００２４】計算過程は省略するが、図５（Ａ）の場合
の分極ＰＮＬの大きさの２乗と、図５（Ｃ）の場合の分
極ＰＮＬの大きさの２乗との比を取ると、 （０．２６０／０．８１６）２≒０．１ となる。上式は、基板の〈１００〉方位（すなわち、共
振器内の半導体結晶の〈１００〉方位）が光射方向と５
°の角度を有している場合には、基板の〈１１１〉方位
（すなわち、共振器内の半導体結晶の〈１１１〉方位）
が光射方向に一致する場合の約１０パーセントの第２高
調波の生成効率を得ることができることを意味してい
る。第２高調波を上記１０パーセントの効率で得ること
ができれば、十分実用に供し得ると考えられ、これが、
本発明において、共振器内の半導体結晶の〈１００〉方
位が光射方向と５°以上の角度をなすことの根拠となっ
ている。
の分極ＰＮＬの大きさの２乗と、図５（Ｃ）の場合の分
極ＰＮＬの大きさの２乗との比を取ると、 （０．２６０／０．８１６）２≒０．１ となる。上式は、基板の〈１００〉方位（すなわち、共
振器内の半導体結晶の〈１００〉方位）が光射方向と５
°の角度を有している場合には、基板の〈１１１〉方位
（すなわち、共振器内の半導体結晶の〈１１１〉方位）
が光射方向に一致する場合の約１０パーセントの第２高
調波の生成効率を得ることができることを意味してい
る。第２高調波を上記１０パーセントの効率で得ること
ができれば、十分実用に供し得ると考えられ、これが、
本発明において、共振器内の半導体結晶の〈１００〉方
位が光射方向と５°以上の角度をなすことの根拠となっ
ている。
【００２５】上記回転方向とは異なる方向への回転やｙ
軸を中心とする回転についての詳細にいては触れない
が、基本的には、それらの場合においても、 ｘ軸と〈１００〉とのなす角が大きくなるに従い、Ｐ
ＮＬは大きくなり、 ｘ軸が〈２１１〉に向いている場合（図５（Ｂ）参
照）や〈１１０〉に向いている場合が基本波の偏光が適
当であれば最大となり、 ｘ軸が〈１１１〉に向いている場合には、多少の場
合より小さいが、基本波の偏光によらない効率が得られ
る。
軸を中心とする回転についての詳細にいては触れない
が、基本的には、それらの場合においても、 ｘ軸と〈１００〉とのなす角が大きくなるに従い、Ｐ
ＮＬは大きくなり、 ｘ軸が〈２１１〉に向いている場合（図５（Ｂ）参
照）や〈１１０〉に向いている場合が基本波の偏光が適
当であれば最大となり、 ｘ軸が〈１１１〉に向いている場合には、多少の場
合より小さいが、基本波の偏光によらない効率が得られ
る。
【００２６】なお、基板の〈１００〉が光射方向と４°
程度の角度を持つように基板を構成することも従来行わ
れているが、これは、該角度を持たせることが結晶の成
長に有利であることに基づくもので、第２高調波を生成
することを目的としていない。したがって、出力端の反
射鏡は第２高調波を透過するようには構成されていな
い。また、面発光レーザを応用して第２高調波を生成す
る技術は存在しないので、第２高調波発生のための位相
整合をとる試みも無論なされてはいない。
程度の角度を持つように基板を構成することも従来行わ
れているが、これは、該角度を持たせることが結晶の成
長に有利であることに基づくもので、第２高調波を生成
することを目的としていない。したがって、出力端の反
射鏡は第２高調波を透過するようには構成されていな
い。また、面発光レーザを応用して第２高調波を生成す
る技術は存在しないので、第２高調波発生のための位相
整合をとる試みも無論なされてはいない。
【００２７】以上述べたように、共振器内の半導体結晶
の〈１００〉方位が光射方向（すなわち、基板面の方
位）と５°以上の角度を持つように、あるいは、共振器
内結晶の〈１１１〉，〈２１１〉，〈１１０〉の方位の
何れかが光射方向とほぼ一致するように、第２高調波生
成素子を構成すれば、第２高調波を高効率で取り出すこ
とができる。また、閃亜鉛鉱型構造の結晶として、Ｇａ
Ａｓ，ＺｎＳｅ等のように非線形係数が大きいものを使
用すれば、第２高調波の生成効率がより高いものが実現
される。
の〈１００〉方位が光射方向（すなわち、基板面の方
位）と５°以上の角度を持つように、あるいは、共振器
内結晶の〈１１１〉，〈２１１〉，〈１１０〉の方位の
何れかが光射方向とほぼ一致するように、第２高調波生
成素子を構成すれば、第２高調波を高効率で取り出すこ
とができる。また、閃亜鉛鉱型構造の結晶として、Ｇａ
Ａｓ，ＺｎＳｅ等のように非線形係数が大きいものを使
用すれば、第２高調波の生成効率がより高いものが実現
される。
【００２８】ところで、第２高調波について、共振器内
部に位相整合層が設けられていない場合には、逆位相の
干渉等により第２高調波が効率良く生成されない。これ
を防止するために、本発明では、第２高調波を透過させ
る側の反射鏡と、該反射鏡側に位置するスペーサ層との
間に、化合物半導体の位相整合層を形成することもでき
る。
部に位相整合層が設けられていない場合には、逆位相の
干渉等により第２高調波が効率良く生成されない。これ
を防止するために、本発明では、第２高調波を透過させ
る側の反射鏡と、該反射鏡側に位置するスペーサ層との
間に、化合物半導体の位相整合層を形成することもでき
る。
【００２９】本発明における「位相整合層」とは、第２
高調波を最適に発生するための層であって、超格子構造
を採るものであっても、採らないものであってもよい。
以下に、超格子構造を使用した場合について述べる。
高調波を最適に発生するための層であって、超格子構造
を採るものであっても、採らないものであってもよい。
以下に、超格子構造を使用した場合について述べる。
【００３０】位相整合層として、超格子構造を採る場合
にあっては、位相整合の方法として、非線形係数の大き
さを変調する方法や符号を反転する方法等、何れのをも
使用できる。非線形係数の大きさの変調により位相整合
する場合、超格子構造は、例えば組成や系の異なるＩＩ
Ｉ−Ｖ族系化合物半導体（例えば、ＡｌＧａＡｓ系，Ｉ
ｎＧａＡｓ系，ＡｌＧａＩｎＰ系，ＧａＩｎＡｓＰ系
等）、ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体（例えば、ＺｎＣｄ
ＳＳｅ系，ＺｎＳＳｅ系，ＺｎＣｄＳｅ系，ＺｎＣｄＳ
系，ＺｎＭｇＳＳｅ系等）からなる層を交互に積層す
る。これにより、第２高調波の逆位相の干渉を極力低く
抑えることができる。
にあっては、位相整合の方法として、非線形係数の大き
さを変調する方法や符号を反転する方法等、何れのをも
使用できる。非線形係数の大きさの変調により位相整合
する場合、超格子構造は、例えば組成や系の異なるＩＩ
Ｉ−Ｖ族系化合物半導体（例えば、ＡｌＧａＡｓ系，Ｉ
ｎＧａＡｓ系，ＡｌＧａＩｎＰ系，ＧａＩｎＡｓＰ系
等）、ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体（例えば、ＺｎＣｄ
ＳＳｅ系，ＺｎＳＳｅ系，ＺｎＣｄＳｅ系，ＺｎＣｄＳ
系，ＺｎＭｇＳＳｅ系等）からなる層を交互に積層す
る。これにより、第２高調波の逆位相の干渉を極力低く
抑えることができる。
【００３１】また、符号の反転により位相整合する場
合、ある結晶（例えば、ＧａＡｓ）成長の途中で、他の
半導体（例えば、Ｓｉ）を極力薄く（１層〜数層（数
Å））載せることで、結晶の方向を交互に反転した層を
形成することができる。更に、例えば、位相整合を負の
干渉が起こる厚さ（相互作用長／コヒーレント長の半
分）よりも薄くしても十分な光出力が得られる場合に
は、超格子構造は採る必要がない。この場合には、位相
整合層を活性層やスペーサ層と別に形成することにより
レーザとしての動作を含めて、第２高調波の発生を最適
化することが容易になる。また、本発明の面発光型第２
高調波生成素子の製造がより容易になり、コストが低減
され、またエネルギー消費もより低く抑えることができ
る。
合、ある結晶（例えば、ＧａＡｓ）成長の途中で、他の
半導体（例えば、Ｓｉ）を極力薄く（１層〜数層（数
Å））載せることで、結晶の方向を交互に反転した層を
形成することができる。更に、例えば、位相整合を負の
干渉が起こる厚さ（相互作用長／コヒーレント長の半
分）よりも薄くしても十分な光出力が得られる場合に
は、超格子構造は採る必要がない。この場合には、位相
整合層を活性層やスペーサ層と別に形成することにより
レーザとしての動作を含めて、第２高調波の発生を最適
化することが容易になる。また、本発明の面発光型第２
高調波生成素子の製造がより容易になり、コストが低減
され、またエネルギー消費もより低く抑えることができ
る。
【００３２】さらに、第２高調波出力端に設けられたス
ペーサ層、さらには活性層および両スペーサ層を、位相
整合層としても作用する化合物半導体の超格子により形
成することもできる。その場合、格子の積層数を多くす
れば、基本波パワーに対する第２高調波の生成効率は大
きくなるが、あまり積層数を多くし過ぎると、電気抵抗
が大きくなり、基本波自体の生成効率が低下する。
ペーサ層、さらには活性層および両スペーサ層を、位相
整合層としても作用する化合物半導体の超格子により形
成することもできる。その場合、格子の積層数を多くす
れば、基本波パワーに対する第２高調波の生成効率は大
きくなるが、あまり積層数を多くし過ぎると、電気抵抗
が大きくなり、基本波自体の生成効率が低下する。
【００３３】以上の原理をより具体的に述べると、次の
ようになる。レーザ共振器内部には基本波（例えば、波
長λ１）と共に第２高調波（この場合、波長λ２＝λ１
／２）が生成される。共振器内部においては、基本波は
該基本波に対しては反射率が高い（例えば、反射率９９
％以上）反射鏡により反射され、高パワーとなる。一
方、第２高調波は、第２高調波を透過（例えば、透過率
５０％以上）する出力端の反射鏡により、素子外部に出
力される。垂直共振器型の面発光素子では、基本波パワ
ーが著しく大きい。第２高調波の生成効率は、基本波パ
ワーに比例するので高出力の第２高調波が生成されるこ
とになる。
ようになる。レーザ共振器内部には基本波（例えば、波
長λ１）と共に第２高調波（この場合、波長λ２＝λ１
／２）が生成される。共振器内部においては、基本波は
該基本波に対しては反射率が高い（例えば、反射率９９
％以上）反射鏡により反射され、高パワーとなる。一
方、第２高調波は、第２高調波を透過（例えば、透過率
５０％以上）する出力端の反射鏡により、素子外部に出
力される。垂直共振器型の面発光素子では、基本波パワ
ーが著しく大きい。第２高調波の生成効率は、基本波パ
ワーに比例するので高出力の第２高調波が生成されるこ
とになる。
【００３４】また、一般に第２高調波は共振器内部で位
相が非整合である場合、生成されても効率よく増幅され
ない。このため、共振器内部に位相整合層を設けたり、
スペーサ層や活性層に位相整合層の機能を兼ね備えさせ
るべく、これらの一部ないし全部を超格子により構成
し、第２高調波を効率良く生成することができる。この
ようにして、本発明の面発光型素子により高効率の第２
高調波が生成される。
相が非整合である場合、生成されても効率よく増幅され
ない。このため、共振器内部に位相整合層を設けたり、
スペーサ層や活性層に位相整合層の機能を兼ね備えさせ
るべく、これらの一部ないし全部を超格子により構成
し、第２高調波を効率良く生成することができる。この
ようにして、本発明の面発光型素子により高効率の第２
高調波が生成される。
【００３５】なお、本発明の第２高調波生成素子は、
埋め込み型の面発光レーザ、メサキャップ構造の面発
光レーザ、ＤＢＲ面発光レーザ、多重量子井戸面発
光レーザ、単一量子井戸面発光レーザ、多重障壁面
発光レーザ、歪系面発光レーザ、〜の可能な組
み合わせ等の各種方式の面発光レーザにおいて、基板の
面方位の特定、位相整合層の形成、位相整合層の作用を
持つスペーサ層や活性層の形成等の要件を加えることで
構成することができる。また、本発明の面発光型第２高
調波生成素子では、活性層がＩＩＩ−Ｖ族系のときは、
該活性層としてＧａＡｓ系，ＡｌＧａＡｓ系，ＧａＩｎ
ＡｓＰ系，ＡｌＧａＩｎＰ系，ＧａＩｎＡｓ系等の化合
物半導体が、また活性層がＩＩ−ＶＩ族系のときは、該
活性層として、ＺｎＳｅ系，ＺｎＭｇＳＳｅ系，ＣｄＺ
ｎＳｅ系，ＣｄＺｎｓ系，ＣｄＳＳｅ系，ＣｄＺｎＳＳ
ｅ系等の化合物半導体が基本波の波長に応じてそれぞれ
使用され、基板にはＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＧａＰ，Ｚ
ｎＳｅ系等が使用される。
埋め込み型の面発光レーザ、メサキャップ構造の面発
光レーザ、ＤＢＲ面発光レーザ、多重量子井戸面発
光レーザ、単一量子井戸面発光レーザ、多重障壁面
発光レーザ、歪系面発光レーザ、〜の可能な組
み合わせ等の各種方式の面発光レーザにおいて、基板の
面方位の特定、位相整合層の形成、位相整合層の作用を
持つスペーサ層や活性層の形成等の要件を加えることで
構成することができる。また、本発明の面発光型第２高
調波生成素子では、活性層がＩＩＩ−Ｖ族系のときは、
該活性層としてＧａＡｓ系，ＡｌＧａＡｓ系，ＧａＩｎ
ＡｓＰ系，ＡｌＧａＩｎＰ系，ＧａＩｎＡｓ系等の化合
物半導体が、また活性層がＩＩ−ＶＩ族系のときは、該
活性層として、ＺｎＳｅ系，ＺｎＭｇＳＳｅ系，ＣｄＺ
ｎＳｅ系，ＣｄＺｎｓ系，ＣｄＳＳｅ系，ＣｄＺｎＳＳ
ｅ系等の化合物半導体が基本波の波長に応じてそれぞれ
使用され、基板にはＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＧａＰ，Ｚ
ｎＳｅ系等が使用される。
【００３６】
【実施例】図１は、本発明の面発光型第２高調波生成素
子の一実施例を示す断面説明図である。本実施例の素子
は、（１１１）ＧａＡｓ基板１（基板面方位が［１１
１］の基板）に後述する共振器や反射鏡等が形成された
ものであり、図１に示すように下部に電極２が形成さ
れ、該電極２の上面側に多層膜からなる反射鏡３が形成
されている。なお、前述したように、必須ではないが多
くの場合、共振器内の半導体結晶の面方位は、基板を構
成する結晶の面方位と同一方位を持たせるので、ここで
は基板を構成する結晶方位により、共振器内の半導体結
晶の面方位が特定されるとしている。上記反射鏡３の上
面には、スペーサ層４／活性層５／スペーサ層６が形成
されている。なお、同図では電極２とスペーサ層４との
間（中心部を除く）には絶縁層１１が形成されている。
子の一実施例を示す断面説明図である。本実施例の素子
は、（１１１）ＧａＡｓ基板１（基板面方位が［１１
１］の基板）に後述する共振器や反射鏡等が形成された
ものであり、図１に示すように下部に電極２が形成さ
れ、該電極２の上面側に多層膜からなる反射鏡３が形成
されている。なお、前述したように、必須ではないが多
くの場合、共振器内の半導体結晶の面方位は、基板を構
成する結晶の面方位と同一方位を持たせるので、ここで
は基板を構成する結晶方位により、共振器内の半導体結
晶の面方位が特定されるとしている。上記反射鏡３の上
面には、スペーサ層４／活性層５／スペーサ層６が形成
されている。なお、同図では電極２とスペーサ層４との
間（中心部を除く）には絶縁層１１が形成されている。
【００３７】一方、基板１の上面には電極７が形成され
ており、該電極７側の面にはエッチングにより第２高調
波の出力部８が形成されている。この出力部８内におい
ては、位相整合層９が前記スペーサ層６の上部に形成さ
れ、さらに位相整合層９の上面には前記反射鏡３と対を
なす、第２高調波出力用の反射鏡１０が形成されてい
る。上記反射鏡３，１０およびこれらの間に形成された
領域（スペーサ層４／活性層５／スペーサ層６／位相整
合層９からなる領域）が共振器を形成することになる。
なお、本実施例では、この位相整合層９は図１に示すよ
うに電極２と電極７間に挟まれない部位（電流が流れな
い部位）に形成してあるので、電気抵抗が増大すること
で基本波パワーが低下するといった不都合は生じない。
ており、該電極７側の面にはエッチングにより第２高調
波の出力部８が形成されている。この出力部８内におい
ては、位相整合層９が前記スペーサ層６の上部に形成さ
れ、さらに位相整合層９の上面には前記反射鏡３と対を
なす、第２高調波出力用の反射鏡１０が形成されてい
る。上記反射鏡３，１０およびこれらの間に形成された
領域（スペーサ層４／活性層５／スペーサ層６／位相整
合層９からなる領域）が共振器を形成することになる。
なお、本実施例では、この位相整合層９は図１に示すよ
うに電極２と電極７間に挟まれない部位（電流が流れな
い部位）に形成してあるので、電気抵抗が増大すること
で基本波パワーが低下するといった不都合は生じない。
【００３８】図２は、図１における垂直共振部αの拡大
図である。図２において、出力端側の反射鏡１０には、
誘電体多層膜（ＳｉＯ２とＴｉＯ２が交互に形成された
層）を用い、それぞれの層厚ｔが、 ｔｄ１＝λ１／〔４ｎｄ１（λ１）〕 ｔｄ２＝λ１／〔４ｎｄ２（λ１）〕 で与えられる層を交互に、１０対程度（またはプロセス
的に可能であればそれ以上）積み重ねて構成する。
図である。図２において、出力端側の反射鏡１０には、
誘電体多層膜（ＳｉＯ２とＴｉＯ２が交互に形成された
層）を用い、それぞれの層厚ｔが、 ｔｄ１＝λ１／〔４ｎｄ１（λ１）〕 ｔｄ２＝λ１／〔４ｎｄ２（λ１）〕 で与えられる層を交互に、１０対程度（またはプロセス
的に可能であればそれ以上）積み重ねて構成する。
【００３９】ここで、ｎ（λ）は波長λにおける屈折率
であり、λ１は基本波の波長である。添字ｄ１はＳｉＯ
２についての膜厚や屈折率、添字ｄ２はＴｉＯ２につい
ての膜厚や屈折率であることを示している。位相整合層
９は、超格子構造をなしており、組成の比率の異なるＡ
ｌＧａＡｓやＺｎＭｇＳＳｅの層ｓ１およびｓ２（図２
において、ＺｎＭｇＳＳｅを用いた場合を示し、各組成
比をＡ，Ｂとしてある）から構成されている。ここで、
各層ｓ１，ｓ２の厚みｔｓ１，ｔｓ２は、それぞれの屈
折率ｎｓ１（λ），ｎｓ２（λ）を用いて次式で定めら
れる。
であり、λ１は基本波の波長である。添字ｄ１はＳｉＯ
２についての膜厚や屈折率、添字ｄ２はＴｉＯ２につい
ての膜厚や屈折率であることを示している。位相整合層
９は、超格子構造をなしており、組成の比率の異なるＡ
ｌＧａＡｓやＺｎＭｇＳＳｅの層ｓ１およびｓ２（図２
において、ＺｎＭｇＳＳｅを用いた場合を示し、各組成
比をＡ，Ｂとしてある）から構成されている。ここで、
各層ｓ１，ｓ２の厚みｔｓ１，ｔｓ２は、それぞれの屈
折率ｎｓ１（λ），ｎｓ２（λ）を用いて次式で定めら
れる。
【００４０】
【数２】 ｔｓ１＝〔ｎｓ１（λ２）／λ２−２ｎｓ１（λ１）／λ１〕−１／２ ｔｓ２＝〔ｎｓ２（λ２）／λ２−２ｎｓ２（λ１）／λ１〕−１／２
【００４１】位相整合層９の全層厚は、吸収の大きい位
相整合層の場合は、平均吸収係数の逆数の数倍以内であ
る。上記実施例では、面方位が［１１１］である基板
（すなわち（１１１）基板）を採用したが、本発明はこ
れに限定されず、面方位が〈１００〉から大きく異なっ
た基板、具体的には基板面の方位が、該基板結晶の〈１
００〉方位に対して５°以上の角度を有している基板で
あれば、効率には差はあるが、第２高調波を生成するこ
とができる。活性層５はＡｌＧａＡｓ，ＺｎＳｅ等によ
り形成してもよく（図２においては、ＺｎＳｅにより形
成した場合を示す）、基本波の波長に応じて組成を決定
する。なお、スペーサ層４，６は、図２においては、Ｚ
ｎＭｇＳＳｅ（組成比をＣとしてある）により形成され
ている。
相整合層の場合は、平均吸収係数の逆数の数倍以内であ
る。上記実施例では、面方位が［１１１］である基板
（すなわち（１１１）基板）を採用したが、本発明はこ
れに限定されず、面方位が〈１００〉から大きく異なっ
た基板、具体的には基板面の方位が、該基板結晶の〈１
００〉方位に対して５°以上の角度を有している基板で
あれば、効率には差はあるが、第２高調波を生成するこ
とができる。活性層５はＡｌＧａＡｓ，ＺｎＳｅ等によ
り形成してもよく（図２においては、ＺｎＳｅにより形
成した場合を示す）、基本波の波長に応じて組成を決定
する。なお、スペーサ層４，６は、図２においては、Ｚ
ｎＭｇＳＳｅ（組成比をＣとしてある）により形成され
ている。
【００４２】反射鏡３，１０は、必ずしも誘電体多層膜
である必要はなく、例えば半導体多層膜、金属膜あるい
は金属膜と誘電体膜とを組合せた膜を使用することがで
きる。出力側の反射鏡１０は、基本波の波長に対しては
「基本波のレーザ発振を誘起するのに十分高い反射率」
を持ち、かつ、第２高調波に対しては「発生した第２高
調波を取り出すのに十分な高い透過率」を持っていれば
良く、出力側でない反射鏡３は「基本波のレーザ発振を
誘起するのに十分高い反射率」を持つ条件のみを満足す
ればよく、誘電体多層膜に比べれば電気抵抗が低い半導
体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）も好ましく使用され得る。
である必要はなく、例えば半導体多層膜、金属膜あるい
は金属膜と誘電体膜とを組合せた膜を使用することがで
きる。出力側の反射鏡１０は、基本波の波長に対しては
「基本波のレーザ発振を誘起するのに十分高い反射率」
を持ち、かつ、第２高調波に対しては「発生した第２高
調波を取り出すのに十分な高い透過率」を持っていれば
良く、出力側でない反射鏡３は「基本波のレーザ発振を
誘起するのに十分高い反射率」を持つ条件のみを満足す
ればよく、誘電体多層膜に比べれば電気抵抗が低い半導
体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）も好ましく使用され得る。
【００４３】上記実施例では位相整合層９の超格子をＡ
ｌＧａＡｓ系やＺｎＭｇＳＳｅ系の化合物半導体により
構成したが、ＩｎＧａＡｓ系，ＡｌＧａＩｎＰ系，Ｇａ
ＩｎＡｓＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＡｌＧａＰ系等の他のＩ
ＩＩ−Ｖ族系化合物半導体や、ＺｎＣｄＳＳｅ系，Ｚｎ
ＳＳｅ系，ＺｎＣｄＳｅ系，ＺｎＣｄＳ系等の他のＩＩ
−ＶＩ族系化合物半導体やそれらの組み合わせにより構
成することもできる。上記のように、位相整合層９を設
けた場合には、位相整合層の吸収が極めて小さい場合に
は位相整合層９の厚みをプロセス的に可能かつ面発光レ
ーザの基本波の発振を維持できる程度にまで厚くするこ
とができる。位相整合の方法やそこに用いられている各
層の厚さは上記実施例に限られる訳ではなく、一般に知
られている方法（例えば、先に挙げたA.YarivやD.Vakhs
hooriの文献に記載されている方法等）であればいかな
る方法も使用できる。例えば、定在波に対する位相整合
法として良く知られているように、各層の厚さを数２に
おける［］内を第１項のみとし、下式とした位相整合法
も有効である。 ｔｓ１＝λ２／〔２ｎｓ１（λ２）〕 ｔｓ２＝λ２／〔２ｎｓ２（λ２）〕 また、上記実施例では、非線形係数の大きさを変調する
方法で位相整合を行ったが、非線形係数の符号を反転す
る方法で位相整合を行うこともできる。さらに、上記実
施例に代表されるような矩形で各層が位相差（すでに発
生されて進行する第２高調波と逐次発生される第２高調
波との位相差）の周期の半分半分を担う非線形係数の変
調方法でなくとも、例えば、連続的な変調、各層が位相
差の周期を担う割合が半分半分でないもの、進行波に対
する位相整合法と定在波に対する位相整合法を合体させ
たもの等、逆位相の干渉を効率よく防止するものであれ
ば様々な方法が可能である。なお、位相整合層の合計は
常に有限であるから、非線形係数の変調の周期は、広が
ったスペクトルを持ち、その広がりに応じて層厚に許容
誤差を与えてもよい。
ｌＧａＡｓ系やＺｎＭｇＳＳｅ系の化合物半導体により
構成したが、ＩｎＧａＡｓ系，ＡｌＧａＩｎＰ系，Ｇａ
ＩｎＡｓＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＡｌＧａＰ系等の他のＩ
ＩＩ−Ｖ族系化合物半導体や、ＺｎＣｄＳＳｅ系，Ｚｎ
ＳＳｅ系，ＺｎＣｄＳｅ系，ＺｎＣｄＳ系等の他のＩＩ
−ＶＩ族系化合物半導体やそれらの組み合わせにより構
成することもできる。上記のように、位相整合層９を設
けた場合には、位相整合層の吸収が極めて小さい場合に
は位相整合層９の厚みをプロセス的に可能かつ面発光レ
ーザの基本波の発振を維持できる程度にまで厚くするこ
とができる。位相整合の方法やそこに用いられている各
層の厚さは上記実施例に限られる訳ではなく、一般に知
られている方法（例えば、先に挙げたA.YarivやD.Vakhs
hooriの文献に記載されている方法等）であればいかな
る方法も使用できる。例えば、定在波に対する位相整合
法として良く知られているように、各層の厚さを数２に
おける［］内を第１項のみとし、下式とした位相整合法
も有効である。 ｔｓ１＝λ２／〔２ｎｓ１（λ２）〕 ｔｓ２＝λ２／〔２ｎｓ２（λ２）〕 また、上記実施例では、非線形係数の大きさを変調する
方法で位相整合を行ったが、非線形係数の符号を反転す
る方法で位相整合を行うこともできる。さらに、上記実
施例に代表されるような矩形で各層が位相差（すでに発
生されて進行する第２高調波と逐次発生される第２高調
波との位相差）の周期の半分半分を担う非線形係数の変
調方法でなくとも、例えば、連続的な変調、各層が位相
差の周期を担う割合が半分半分でないもの、進行波に対
する位相整合法と定在波に対する位相整合法を合体させ
たもの等、逆位相の干渉を効率よく防止するものであれ
ば様々な方法が可能である。なお、位相整合層の合計は
常に有限であるから、非線形係数の変調の周期は、広が
ったスペクトルを持ち、その広がりに応じて層厚に許容
誤差を与えてもよい。
【００４４】化合物半導体の位相整合条件を満たすため
の超格子構造を、スペーサ層や活性層に導入し、それら
の層に位相整合層の作用を兼ね持たせる（位相整合層と
しても作用する）こともできる。すなわち、（ｉ）「ス
ペーサ層」、（ｉｉ）「第２高調波出力端側のスペーサ
層および活性層」、あるいは（ｉｉｉ）「両スペーサ層
および活性層」に位相整合層の働きをもたせ、位相整合
層を薄くないしは取り去ることも可能である。なお、図
３は上記（ｉｉｉ）の具体例である。この場合、位相整
合層の働きを持つ層の厚みは吸収係数の逆数の数倍以内
となるようにする。
の超格子構造を、スペーサ層や活性層に導入し、それら
の層に位相整合層の作用を兼ね持たせる（位相整合層と
しても作用する）こともできる。すなわち、（ｉ）「ス
ペーサ層」、（ｉｉ）「第２高調波出力端側のスペーサ
層および活性層」、あるいは（ｉｉｉ）「両スペーサ層
および活性層」に位相整合層の働きをもたせ、位相整合
層を薄くないしは取り去ることも可能である。なお、図
３は上記（ｉｉｉ）の具体例である。この場合、位相整
合層の働きを持つ層の厚みは吸収係数の逆数の数倍以内
となるようにする。
【００４５】上記のように、スペーサ層や活性層に位相
整合層の作用を兼ねさせるべく超格子構造を導入するこ
とは、半導体レーザの電気抵抗を増加させることにもな
り、第２高調波発生効率との間でトレードオフとなる
が、 図１に示すような位層整合層を設ける必要がなくなる
か、または薄くすることができる。 に起因して基本波の吸収が減少する。 同じくに起因してモードの単一性が良くなる。 同じくに起因してプロセスが容易となる。
整合層の作用を兼ねさせるべく超格子構造を導入するこ
とは、半導体レーザの電気抵抗を増加させることにもな
り、第２高調波発生効率との間でトレードオフとなる
が、 図１に示すような位層整合層を設ける必要がなくなる
か、または薄くすることができる。 に起因して基本波の吸収が減少する。 同じくに起因してモードの単一性が良くなる。 同じくに起因してプロセスが容易となる。
【００４６】
【発明の効果】本発明は、上記のように構成したので以
下の効果を奏することができる。 （１）面発光素子により第２高調波を高効率で取り出す
ことができる。また、基板の材料や面方位、反射鏡の組
成を変更することで、紫外光−緑色光はもとより、赤色
領域から紫外領域にわたる波長を生成することができ
る。 （２）面発光レーザの長所をそのまま取り入れているの
で、小型でエネルギー消費が低く、かつ、低製作コスト
の第２高調波生成素子を提供することができる。したが
って、円形かつ単一モードの第２高調波を生成できるの
で、ファイバー等への結合を高効率で行うことができ
る。さらに、アレイ化することが容易であり、アレイ内
の素子毎に波長の異なる単色光を出力することができ
る。 （３）常温近傍でも発光が可能であるので応用範囲が広
い。したがって、実用に供して有益である。
下の効果を奏することができる。 （１）面発光素子により第２高調波を高効率で取り出す
ことができる。また、基板の材料や面方位、反射鏡の組
成を変更することで、紫外光−緑色光はもとより、赤色
領域から紫外領域にわたる波長を生成することができ
る。 （２）面発光レーザの長所をそのまま取り入れているの
で、小型でエネルギー消費が低く、かつ、低製作コスト
の第２高調波生成素子を提供することができる。したが
って、円形かつ単一モードの第２高調波を生成できるの
で、ファイバー等への結合を高効率で行うことができ
る。さらに、アレイ化することが容易であり、アレイ内
の素子毎に波長の異なる単色光を出力することができ
る。 （３）常温近傍でも発光が可能であるので応用範囲が広
い。したがって、実用に供して有益である。
【図１】本発明の第２高調波生成素子の一実施例を示す
図であり、素子全体を示す断面説明図である。
図であり、素子全体を示す断面説明図である。
【図２】図１におけるα部の各層の断面説明図である。
【図３】本発明の第２高調波生成素子の他の実施例を示
す各層の断面説明図である。
す各層の断面説明図である。
【図４】本発明の作用を説明するための、非線形係数か
らなる行列および基板の方向を示す図である。
らなる行列および基板の方向を示す図である。
【図５】本発明の作用を説明するための、非線形係数か
らなる行列および基板の方向を示す図である。
らなる行列および基板の方向を示す図である。
【図６】従来の第２高調波生成素子の一例を示す図であ
る。
る。
【図７】面発光レーザの概略を示す断面説明である。
１ 基板 ２ 電極 ３ 非出力側の反射鏡 ４，６ スペーサ層 ５ 活性層 ７ 型電極 ８ 第２高調波の出力部 ９ 位相整合層 １０ 第２高調波出力側反射鏡 １１ 絶縁層
Claims (7)
- 【請求項１】 ＩＩＩ−Ｖ族系またはＩＩ−ＶＩ族系化
合物半導体結晶よりなる活性層と、 該活性層の両側に形成されたスペーサ層と、 さらに両スペーサ層の活性層とは反対側に位置して形成
され、一方が第２高調波を所定率で透過させる、一対の
反射鏡と、を共振器として有してなる面発光型第２高調
波生成素子であって、 前記共振器内の半導体結晶の〈１００〉方位が光射方向
と５°以上の角度をなすことを特徴とする面発光型第２
高調波生成素子。 - 【請求項２】 共振器内の半導体結晶の〈１１１〉，
〈２１１〉，〈１１０〉方位のいずれかが光射出方向に
ほぼ一致することを特徴とする請求項１記載の面発光型
第２高調波生成素子。 - 【請求項３】 第２高調波を透過させる側の反射鏡と、
該反射鏡側に位置するスペーサ層との間に、ＩＩＩ−Ｖ
またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体からなる位相整合層
が形成されてなることを特徴とする請求項１〜２記載の
面発光型第２高調波生成素子。 - 【請求項４】 前記位相整合層が、前記共振器内の半導
体結晶と同一の方位を有する超格子により構成されてな
り、該超格子が実効的に非線形係数の大きさを変調し得
ることを特徴とする請求項１〜３記載の面発光型第２高
調波生成素子。 - 【請求項５】 前記位相整合層が、超格子により構成さ
れてなり、該超格子が非線形係数の符号を反転し得るこ
とを特徴とする請求項１〜３記載の面発光型第２高調波
生成素子。 - 【請求項６】 第２高調波出力端側に設けられたスペー
サ層が、位相整合層としても作用する超格子により形成
されてなることを特徴とする請求項１〜５記載の面発光
型第２高調波生成素子。 - 【請求項７】 活性層およびスペーサ層が、位相整合層
としても作用する超格子により形成されてなることを特
徴とする請求項１〜５記載の面発光型第２高調波生成素
子。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5186877A JPH0730181A (ja) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | 面発光型第２高調波生成素子 |
| US08/249,583 US5422903A (en) | 1993-04-15 | 1994-05-26 | Surface emitting second harmonic generating device |
| EP94304409A EP0632553B1 (en) | 1993-06-30 | 1994-06-17 | Surface emitting second harmonic generating device |
| DE69402120T DE69402120T2 (de) | 1993-06-30 | 1994-06-17 | Oberflächen-emittierende frequenzverdoppelnde Vorrichtung |
| KR1019940014928A KR950002136A (ko) | 1993-06-30 | 1994-06-28 | 면 발광형 제 2 고조파 생성소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5186877A JPH0730181A (ja) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | 面発光型第２高調波生成素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0730181A true JPH0730181A (ja) | 1995-01-31 |
Family
ID=16196250
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5186877A Pending JPH0730181A (ja) | 1993-04-15 | 1993-06-30 | 面発光型第２高調波生成素子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0632553B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0730181A (ja) |
| KR (1) | KR950002136A (ja) |
| DE (1) | DE69402120T2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7502393B2 (en) | 2004-12-02 | 2009-03-10 | Canon Kabushiki Kaisha | Light-emitting device having resonator and light source unit including the light-emitting device |
| JP2016507790A (ja) * | 2013-03-15 | 2016-03-10 | ノースロップ グラマン システムズ コーポレイションＮｏｒｔｈｒｏｐ Ｇｒｕｍｍａｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ | 非線形光周波数変換のための分散熱システム |
| JP2016534384A (ja) * | 2013-10-25 | 2016-11-04 | アトラ レイザーズ アクティーゼルスカブ | レーザークリスタル |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69630714T2 (de) * | 1995-01-20 | 2004-09-23 | Matsushita Electric Industrial Co. Ltd. | Lichtemittierende Halbleitervorrichtung und deren Herstellung |
| JP2007165562A (ja) | 2005-12-13 | 2007-06-28 | Seiko Epson Corp | 光源装置、および光源装置を備えたプロジェクタ |
| DE102021116391A1 (de) | 2021-06-24 | 2022-12-29 | Universität Stuttgart, Körperschaft Des Öffentlichen Rechts | Strahlungsfeldbereitstellungsvorrichtung |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63280484A (ja) * | 1987-05-12 | 1988-11-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体装置 |
| US5051617A (en) * | 1990-06-29 | 1991-09-24 | National Research Council Canada | Multilayer semiconductor waveguide device for sum frequency generation from contra-propagating beams |
| JP2721436B2 (ja) * | 1990-11-07 | 1998-03-04 | 沖電気工業株式会社 | 第２高調波発生装置 |
| JP2751656B2 (ja) * | 1991-03-29 | 1998-05-18 | 日本電気株式会社 | 面発光型光第二高調波素子 |
| JPH04307524A (ja) * | 1991-04-04 | 1992-10-29 | Seiko Epson Corp | 第二高調波発生装置 |
| JP3244529B2 (ja) * | 1992-04-16 | 2002-01-07 | アジレント・テクノロジーズ・インク | 面発光型第２高調波生成素子 |
-
1993
- 1993-06-30 JP JP5186877A patent/JPH0730181A/ja active Pending
-
1994
- 1994-06-17 DE DE69402120T patent/DE69402120T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1994-06-17 EP EP94304409A patent/EP0632553B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-06-28 KR KR1019940014928A patent/KR950002136A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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