JP2019046880A - 面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】単一波長で高いビーム品質と高出力を有する面発光レーザを提供する。
【解決手段】面発光レーザ１において、シード光源２は、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ１）構造２０を有する。出力部４は、ＶＣＳＥＬ構造４０を有し、シード光源２と隣接して形成される。シード光源２のＶＣＳＥＬ構造２０の垂直方向の実効的な光路長ｌ_１と、出力部４のＶＣＳＥＬ構造４０の垂直方向の実効的な光路長ｌ_２とが異なるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光型半導体レーザに関し、特にその高出力化に関する。

従来、面発光レーザの単一波長出力は、ｍＷレベルに制限されてきた。ワット級高出力動作が可能になれば、光断層像（OCT：Optical Coherence Tomography）用の波長掃引用光源、中長距離光通信用光源、自動車、ドローン、ロボットなどに搭載されるレーザレーダー（LIDAR）用光源、監視システム、製造現場での自動検査装置、プリンタのレーザ乾燥器など様々な応用展開が可能になる。

A. Haglund、 "Single Fundamental-Mode Output Power Exceeding 6 mW From VCSELs With a Shallow Surface Relief、" IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 16, NO. 2, FEBRUARY 2004. Jean-Francois Seurin et al., "High-power vertical-cavity surface-emitting lasers for solid-state laser pumping," Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XVI, edited by Chun Lei, Kent D. Choquette、 Proc. of SPIE Vol. 8276, 2012. Kazuyoshi Hirose, et. al., "Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers," NATURE PHOTONICS, VOL 8, p.406 MAY 2014. Toshikazu Shimada, et. al., "Lateral integration of vertical-cavity surface-emitting laser and slow light Bragg reflector waveguide devices," APPLIED OPTICS, Vol. 53, No. 9, p.1766, March 2014. M. Nakahama, "Lateral integration of MEMS VCSEL and slow light amplifier boosting single mode power," IEICE ELEX, vol. 9, no.6, pp.544-551, 2012. M. Nakahama,et.al., "Slow Light VCSEL Amplifier for High-resolution Beam Steering and High-power Operations," CLEO 2016,SF1L.5, 2016. M. Nakahama,et.al.," High Power Non-mechanical Beam Scanner based on VCSEL Amplifier," OECC/PS 2016,MD2-5, 2016. X. Gu,et.al., "VCSEL-Integrated Bragg Reflector Waveguide Amplifier with Single-mode Output Power over 10 mW," OECC/PS 2016,MD2-4, 2016.

面発光レーザの高出力化を実現するために、表面加工を行い、高次モード発振を抑圧する構造（非特許文献１）が提案されているが、１０ミクロン以下のエリアサイズが限界であり、出力１０ｍＷを越えることができない。また、多数の面発光レーザを２次元的に集積したアレイ構造（非特許文献２）では、１０Ｗ以上の高出力化が可能であるが、個々の素子の位相、波長が揃っていないため、発振スペクトル幅が広く、ビーム広がり角が大きく、レンズを使っても集光できないなどの課題がある。

２次元フォトニック結晶を用いた面発光レーザ（非特許文献３）では、ワット級高出力と良質なビーム品質を実現しているが、半導体内に微細な周期構造を形成する必要があるなど、製造上、信頼性の観点から課題がある。

本発明者らはこれらの問題を解決するために、基板横方向にＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）とスローライトＳＯＡ（半導体光増幅器）を配置した光増幅機能付き面発光レーザについて提案している（非特許文献４、５）。非特許文献４の面発光レーザの最大光出力は６ｍＷであり、ワット級出力は得られていない。

本発明者らは、スローライトＳＯＡ（半導体光増幅器）を実現し、単一波長の外部光を入射させることで、単一波長で単峰性のビーム品質に優れたCW動作で29mW、パルス動作で260mWの出力を得ている。（非特許文献６、７）しかし、種光として外部光源が必要であり、装置の小型化に難がある。

本発明者らは、酸化狭窄幅を変えることで、種光源である面発光レーザとスローライトＳＯＡを集積した素子を実現している（非特許文献８）。しかし、種光源とスローライトＳＯＡのそれぞれの波長差が1nm以下であり、スローライトＳＯＡからの逆方向の光結合が発生し、単一波長での最大光出力は10mW以下に制限されていた。

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、単一波長で高いビーム品質と高出力を有する面発光レーザの提供にある。

本発明のある態様は、面発光レーザに関する。面発光レーザは、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造を有するシード光源と、ＶＣＳＥＬ構造を有し、シード光源と隣接して形成された出力部と、を備える。シード光源のＶＣＳＥＬ構造の垂直方向の実効的な光路長と、出力部のＶＣＳＥＬ構造の垂直方向の実効的な光路長とが異なる。

この態様によると、出力部は、ＶＣＳＥＬ構造の長手方向の一端にコヒーレントなシード光を受け、シード光をＶＣＳＥＬ構造内で垂直方向に多重反射させながら、ＶＣＳＥＬ構造の長手方向にスローライト伝搬させ、ＶＣＳＥＬ構造の上面から出力光を取り出すことができる。これにより、面発光レーザをより一層、小型化、低コスト化できる。ＶＣＳＥＬ構造の出力部をレーザ発振させた状態で、シード光を増幅する増幅器として動作させることにより、高出力を得ることができる。

そして、シード光源と出力部の、実効的な光路長、すなわち共振器長を異ならしめることにより、シード光源の波長λ１と出力部のＶＣＳＥＬ構造の発振波長λ２の間に、λ１＜λ２の関係を実現できる。波長差Δλ＝λ２−λ１を増加させることで、出力部からシード光源への戻り光の抑圧（アイソレーション）を高めることができ、ビームクオリティを改善できる。

なお、本明細書における上下、横方向、水平方向、垂直方向は、実動作時における方向とは無関係な便宜的なものである。

出力部のＶＣＳＥＬ構造は、位相制御層を有してもよい。シード光源のＶＣＳＥＬ構造は、位相制御層を有してもよい。

位相制御層は、半導体層であってもよい。位相制御層は、誘電体（絶縁体）層であってもよい。誘電体多層膜を利用して位相制御層を形成すると、多層膜の各層の厚みを管理する必要があるが、半導体層や誘電体層を用いることで、単層の厚みを制御すればよいため、一般的な半導体プロセスを用いて容易に形成することができる。

シード光源および出力部それぞれのＶＣＳＥＬ構造は、エアギャップ層を有し、マイクロマシン構造により、シード光源側のエアギャップ層の厚みが可変に構成されてもよい。これにより出力部のＶＣＳＥＬ構造からの放射角を変化させることができる。

シード光源および出力部のＶＣＳＥＬ構造は、エアギャップ層を有し、マイクロマシン構造により、シード光源側、および出力部のＶＣＳＥＬ構造のエアギャップ層の厚みが同時に可変に構成されてもよい。これにより出力部のＶＣＳＥＬ構造からの放射角を一定に保ち、波長を変えながら出力部のＶＣＳＥＬ構造からの高出力化を実現することができる。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、良好なビーム品質、狭いスペクトル幅、高出力の少なくともひとつ得ることができる。

実施の形態に係る面発光レーザの断面図である。 第１実施例に係る面発光レーザの断面図である。 第２実施例に係る面発光レーザの断面図である。 第３実施例に係る面発光レーザの断面図である。 第４実施例に係る面発光レーザの断面図である。 図２の面発光レーザにおいて、半導体ＧａＡｓの位相制御層を形成したときの波長差Δλ＝λ２−λ１のシミュレーション結果を示す図である。 図２の面発光レーザにおいて、誘電体ＳｉＯ_２の位相制御層を形成したときの波長差Δλ＝λ２−λ１のシミュレーション結果を示す図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、第２実施例において位相制御層として半導体ＧａＡｓを用いたときの光強度分布を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（概要）
はじめに実施の形態に係る面発光レーザの概要を説明する。この面発光レーザは、横長のＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造の出力部を備える。出力部は、発振しきい値より大きな電流が注入された発振状態で動作する。出力部は、ＶＣＳＥＬ構造の長手方向の一端にコヒーレントなシード光を受け、シード光をＶＣＳＥＬ構造内で垂直方向に多重反射させながら、ＶＣＳＥＬ構造の長手方向にスローライト伝搬させ、ＶＣＳＥＬ構造の上面から出力光を取り出す。

この面発光レーザによれば、発振状態に維持することで、高効率な光増幅が可能となり、高出力を得ることができる。またシード光として、単一波長の波面の揃ったコヒーレント光を入射することにより、高出力でかつ波面の揃ったビームクオリティの高い出力光を得ることができる。

（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る面発光レーザ１の断面図である。この面発光レーザ１は、第１の面発光レーザ（以下、シード光源２と称する）と第２の面発光レーザ（以下、出力部４と称する）を、同一半導体基板上に、横方向に形成したものである。概要で述べたように出力部４は、横長のＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造４０を有している。出力部４の長さは、シード光源２の長さの１０００倍程度としてもよい。ＶＣＳＥＬ構造４０は、半導体基板１０上に形成された下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）４６、活性層４２、上部ＤＢＲ４４、波長を制御するための位相制御層４３を備える。

シード光源２は、出力部４と共通のＶＣＳＥＬ構造２０を有しており、コヒーレントなシード光Ｌ１を発生する。シード光源２の内部において、光は垂直方向に反射を繰り返して誘導放出によって増幅され、その一部が、シード光Ｌ１として隣接する出力部４のＶＣＳＥＬ構造の長手方向の一端（結合面３）に結合する。

具体的にはシード光源２側のＶＣＳＥＬ構造２０は、半導体基板１０上に形成される下部ＤＢＲ２６、活性層２２、上部ＤＢＲ２４、波長を制御するための位相制御層２３を備える。ＶＣＳＥＬ構造２０の縦型共振器の上側ミラーの反射率を１００％に近づけるために、上部ＤＢＲ２４の上面には、高反射ミラー３０を形成することが望ましい。高反射ミラー３０は、たとえば金（Ａｕ）などの金属や誘電体多層膜鏡が好適である。

駆動回路５は、出力部４のＶＣＳＥＬ構造４０に、発振しきい値より大きな電流を注入し、発振状態で動作させる。このとき、垂直方向に出力光Ｌ３を出射している。出力部４は、その結合面３にシード光Ｌ１を受け、シード光Ｌ１をＶＣＳＥＬ構造内で垂直方向に多重反射させながら、ＶＣＳＥＬ構造４０の長手方向にスローライト伝搬させる。そしてＶＣＳＥＬ構造４０の上面から、出力光Ｌ３は抑圧され、出力光Ｌ２が取り出される。出力部４のキャビティの上側の反射面すなわち上部ＤＢＲ４４は、たとえば反射率９５〜９９％程度で設計してもよい。

ここで、出力部４からシード光源２への戻り光が存在すると、シード光源２内のモードが乱され、シード光Ｌ１のビームクオリティが悪化し、ひいては出力光Ｌ２のクオリティも悪化する。そこでシード光Ｌ１の波長λ１と出力部４のＶＣＳＥＬ構造の発振波長λ２は、λ１≠λ２を満たすことが望ましく、特に図１に示したように、シード光源２と出力部４が横方向に集積化される構造においては、λ１＜λ２を満たすことが好ましい。これにより出力部４からシード光源２への戻り光が抑制され、ビームクオリティを改善することができる。また、戻り光を抑圧するためには、波長差Δλ＝λ２−λ１が大きいほうがよい。

この面発光レーザ１は、シード光源２のＶＣＳＥＬ構造の実効的な光路長と、出力部４のＶＣＳＥＬ構造の垂直方向の実効的な光路長とが異なっており、言い換えれば、それぞれの共振器長ｌ_１，ｌ_２が異なるように構成されており、これにより発振波長がλ１＜λ２を満たすように構成される。シード光源２のＶＣＳＥＬ構造２０と、出力部４のＶＣＳＥＬ構造４０の少なくとも一方は、位相制御層２３，４３を含んでもよい。

以上が面発光レーザ１の基本構造である。続いていくつかの具体的な構成例を説明する。ＶＣＳＥＬ構造および材料は公知技術を用いればよく、特に限定されないが、一例を説明する。たとえば半導体基板１０は、III-V族半導体でありＧａＡｓ基板であってもよい。半導体基板１０の裏面には、ｎ側電極（不図示）が形成される。下部ＤＢＲ２６（４６）は、ｎ型不純物であるシリコンがドープされたＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層とＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層（ＡｌＧａＡｓ＝アルミニウムガリウムヒ素）の積層構造となっており、１００％近い反射率を有する。

活性層２２（４２）は、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／ＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素／ガリウムヒ素）の多重量子井戸構造を有する。たとえば活性層２２（４２）は、３層量子井戸構造を有してもよい。多重量子井戸構造の両側には、必要に応じてアンドープのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層である下部スペーサ層および上部スペーサ層が形成される。上部ＤＢＲ２４（４４）は、炭素がドープされたＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層とＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層（ＡｌＧａＡｓ＝アルミニウムガリウムヒ素）の積層構造であってもよい。

続いて図１の面発光レーザ１の動作を説明する。シード光源２を発振させると、符号１００で示すような光強度分布が発生し、その一部が出力部４側にシード光Ｌ１として染み出す。一方、出力部４においても、しきい値電流より大きな電流が注入されて発振状態となる。シード光Ｌ１が結合しない状態では、一点鎖線で示すように、出力部４で発生する自然放出光と、それを種とする誘導放出光が垂直方向で反射して増幅され、波長λ２の光Ｌ３が放射される。

図１の面発光レーザ１においては、自然放出光に代えて、出力部４の結合面３に結合したシード光Ｌ１を種とした発振が支配的となり、したがって波長λ２の光Ｌ３は抑制される。そしてシード光Ｌ１が、図中、垂直方向に多重反射しながら、右方向にスローライト伝搬しながら、増幅される。増幅された光Ｌ２は、出力部４の上面から出射する。

本実施の形態では、出力部４を発振動作させて、結合光強度に対して利得を飽和させることにより、出力光Ｌ３を抑圧して、高出力の出力光Ｌ２を得ることができる。このときの波長は、シード光で決まるため、面発光レーザ１の波長を単一化することで、高出力かつ単一波長の出力光Ｌ２を取り出すことができる。

続いて、シード光源２および出力部４とで、同一のＶＣＳＥＬ構造２０（４０）を有しながら、λ１＜λ２とするための具体的な構成を説明する。

（第１実施例）
図２は、第１実施例に係る面発光レーザ１ａの断面図である。この面発光レーザ１ａにおいて、出力部４ａのＶＣＳＥＬ構造４０は、位相制御層４３を含む。位相制御層４３としては、ＧａＡｓなどの半導体層、もしくはＳｉＯ_２などの誘電体層を用いることができる。位相制御層４３の厚さを制御することで、λ１＜λ２を実現できる。なお以降の図では、駆動回路５を省略する

（第２実施例）
図３は、第２実施例に係る面発光レーザ１ｂの断面図である。この面発光レーザ１ｂにおいて、シード光源２ｂのＶＣＳＥＬ構造２０は、位相制御層２３を含む。位相制御層２３としては、ＧａＡｓなどの半導体層、もしくはＳｉＯ_２などの誘電体層を用いることができる。位相制御層２３の厚さを制御することで、λ１＜λ２を実現できる。

（第３実施例）
図４は、第３実施例に係る面発光レーザ１ｃの断面図である。この面発光レーザ１ｃにおいて、シード光源２ｃおよび出力部４ｃのＶＣＳＥＬ構造２０，４０は、エアギャップ層２８，４８を有し、マイクロマシン構造、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造により、シード光源２ｃ側のエアギャップ層２８の厚みが可変に構成される。エアギャップ層２８の厚みを変化させることで、高反射ミラー３０の位置を制御でき、これによりシード光源２ｃの共振器長が変化し、発振波長λ１を短くできる。これによって、出力光Ｌ２の放射角を変化させることができる。また、シード光源２ｃ側のギャップ層２８と出力部側ギャップ層４８を同時に変化させてもよい。これによって、波長を変えながら出射角を一定に保ち、高出力の出力光Ｌ２を得ることができる。

（第４実施例）
図５は、第４実施例に係る面発光レーザ１ｄの断面図である。この面発光レーザ１ｄにおいて、出力部４ｄのＶＣＳＥＬ構造４０の上部ＤＢＲ４４は、シード光源２ｄのＶＣＳＥＬ構造の上部ＤＢＲ２４よりも層数が多い。すなわち、上部ＤＢＲ４４と上部ＤＢＲ２４の層数の差分が、位相制御層４３として機能する。位相制御層４３は、シード光源２ｄの領域のみエッチングで除去した後、さらに上部ＤＢＲを全体にわたって成膜することによって形成することができる。この追加で形成するＤＢＲは、誘電体多層膜でありうる。

図６は、図２（第１実施例）の面発光レーザ１ａにおいて、半導体ＧａＡｓの位相制御層を形成したときの波長差Δλ＝λ２−λ１のシミュレーション結果を示す図である。位相制御層の厚さを制御することで、λ１＜λ２とともに、３０ｎｍより大きい波長差Δλ（＞３０ｎｍ）を実現できることがわかる。これによって、シード光源から出力部への安定な一方向性の結合を実現できる。

図６から分かるように、位相制御層ＧａＡｓの厚さを制御することで、λ２＜λ１（負の波長差）を実現することも可能である。したがって、第２実施例（図３）のように、シード光源２側に、負の波長差が得られる厚みを有する位相制御層を形成し、λ１＜λ２を実現してもよい。

図７は、図２（第１実施例）の面発光レーザ１ａにおいて、誘電体ＳｉＯ_２の位相制御層を形成したときの波長差Δλ＝λ２−λ１のシミュレーション結果を示す図である。位相制御層の厚さを制御することで、λ１＜λ２とともに、２５ｎｍより大きい波長差Δλ（＞２５ｎｍ）を実現できることがわかる。これによって、シード光源から出力部への安定な一方向性の結合を実現できる。

図７から分かるように、位相制御層ＳｉＯ_２の厚さを制御することで、λ２＜λ１（負の波長差）を実現することも可能である。したがって、第２実施例（図３）のように、シード光源２側に負の波長差が得られる厚みを有する位相制御層ＳｉＯ_２を形成することで、λ１＜λ２を実現してもよい。

図２の第１実施例と図３の第２実施例の組み合わせも可能である。具体的には、シード光源２側に負の波長差が得られる厚みを有する位相制御層２３を形成し、出力部４側に正の波長差が得られる厚みの位相制御層４３を形成してもよい。これにより、大きな波長差を得つつも、面発光レーザ１の表面におけるシード光源２と出力部４の段差を小さくできる。

図８（ａ）、（ｂ）は、第２実施例において位相制御層として半導体ＧａＡｓを用いたときの光強度分布を示す図である。図８（ａ）は、シード光源２から出力部４への結合を示しており、シード光源２で生成されるシード光Ｌ１は、出力部４へ結合損失0.9dBで結合している。一方、図８（ｂ）は出力部４からシード光源２への結合を示しており、出力部の光Ｌ３の、シード光源２への結合損失は２０ｄＢ以上であり、その結合が抑圧されて、シード光源２から出力部４への一方向性の結合が実現できることがわかる。

位相制御層（２３，４３）として利用可能な半導体材料としては、ＧａＡｓのほか、ＳｉやＧａＡｌＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＡｌＩｎＰ，ＧａＮ，ＧａＡｌＮなどを用いることができる。

位相制御層（２３，４３）として利用可能な誘電体材料としては、ＳｉＯ_２のほか、ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５などを用いることができる。

また、位相制御層（２３，４３）を、異なる半導体材料の積層構造としてもよいし、異なる誘電体材料の積層構造としてもよい。あるいは半導体と誘電体の積層構造としてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…面発光レーザ、２…シード光源、４…出力部、５…駆動回路、１０…半導体基板、２０…ＶＣＳＥＬ構造、２２…活性層、２３…位相制御層、２４…上部ＤＢＲ、２６…下部ＤＢＲ、２８…エアギャップ層、３０…高反射ミラー、４０…ＶＣＳＥＬ構造、４２…活性層、４３…位相制御層、４４…上部ＤＢＲ、４６…下部ＤＢＲ、４８…エアギャップ層、Ｌ１…シード光、Ｌ２…出力光、Ｌ３…出力部の垂直発振の光。

Claims (6)

1. ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造を有するシード光源と、
   ＶＣＳＥＬ構造を有し、前記シード光源と隣接して形成された出力部と、
   を備え、
   前記シード光源の前記ＶＣＳＥＬ構造の垂直方向の実効的な光路長と、前記出力部の前記ＶＣＳＥＬ構造の垂直方向の実効的な光路長とが異なることを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記出力部のＶＣＳＥＬ構造は、位相制御層を有することを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記シード光源のＶＣＳＥＬ構造は、位相制御層を有することを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ。
4. 前記位相制御層は、半導体層であることを特徴とする請求項２または３に記載の面発光レーザ。
5. 前記位相制御層は、誘電体層であることを特徴とする請求項２または３に記載の面発光レーザ。
6. 前記シード光源および前記出力部それぞれのＶＣＳＥＬ構造は、エアギャップ層を有し、マイクロマシン構造により、前記シード光源側の前記エアギャップ層の厚みが可変に構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の面発光レーザ。