JPH10501927A

JPH10501927A - 垂直に集積された光ポンプを備えたレーザー放射用の長波長垂直キャビティ表面

Info

Publication number: JPH10501927A
Application number: JP8530996A
Authority: JP
Inventors: ジャヤラマン，バイヤイセクハール
Original assignee: オプティカルコンセプツ，インコーポレイティド
Priority date: 1995-04-12
Filing date: 1996-03-11
Publication date: 1998-02-17
Also published as: WO1996032766A1; US5513204A; CA2190843A1; CA2190843C; DE69610598D1; AU5297396A; KR100229051B1; EP0765536A1; DE69610598T2; EP0765536B1; KR970703634A; RU2153746C2; ES2152017T3

Abstract

(57)【要約】本発明による長波長レーザー放射用垂直キャビティ表面（ＶＣＳＥＬ）は、電気ポンピングされたＶＣＳＥＬに光結合され、より短い波長によって光ポンピングされる。下に位置するＶＣＳＥＬの上表面から放射される短波長光は、長波長ＶＣＳＥＬの下側ミラーを通って透過される。長波長光は、好ましくは、長波長ＶＣＳＥＬの上表面から放射される。２つのＶＣＳＥＬは、好ましくは、透明な光学接着剤、ウェハー融合プロセス、又は金属−金属結合を用いて相互に接合される。

Description

【発明の詳細な説明】垂直に集積された光ポンプを備えたレーザー放射用の長波長垂直キャビティ表面発明の背景本発明は、広くは、集積半導体レーザーに関する。詳しくは、本発明は光ポンピングによりレーザーを放射する垂直キャビティ表面（ＶＣＳＥＬ）に関する。ＶＣＳＥＬは、金属材料、誘電体材料、エピタキシャルに成長した半導体誘電性材料又はそれらの組み合わせの高反射性の層からなるミラーの間にサンドイッチされた、ヒ化ガリウムやヒ化インジウムガリウムなどのような光学活性物質の半導体層からなる半導体レーザーであり、スタックであることが最も多い。従来と同様に、ラースタックの１つは、ミラースタック／活性層のサンドイッチによって形成された共振キャビティで増強されたコヒーレント光の一部を透過するように、部分的に反射性である。レーザー構造体は、反転分布によってポンピング電子の誘導光子への効率的な変換を達成するために、キャビティ中の光閉じ込めとキャリヤー閉じ込めを必要とする。キャビティ中の反射された電磁エネルギーの定在波は、電磁モードを生じる特徴的クロスセクションを有する。望ましい電磁モードは単一の基本モードであり、例えば、円筒状導波路のＨＥ₁₁モードである。ＶＣＳＥＬからの単一モード信号は、光ファイバーに容易に結合し、低い発散度を有し、動作において固有の単一周波数である。レイジング閾値に到達するため、ＶＣＳＥＬの全利得はその全損失に等しくなければならない。不都合なことに、ＶＣＳＥＬのコンパクト性のせいで、利得媒体は極めて制限される。この制限は、効率的なＶＣＳＥＬのためには、ミラーが約９９．５％を超える反射率を有するといった要件に結びつく。この要件に適合することは、短波長ＶＣＳＥＬよりも長波長ＶＣＳＥＬのほうがはるかに困難であり、これは、ミラーが活性領域と同じエピタキシャル工程で成長され得るためである。例えば、９８０ナノメートルのＧａＡｓのＶＣＳＥＬにおいて、ミラーはＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの交互の層を用いて成長させることができる。これらの２種の材料の屈折率の差は０．６であるため、適切なミラーを形成するのに非常に少ない層が必要とされる。１３００又は１５５０ナノメートルのＶＣＳＥＬのためのアナログミラーの設計は、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰの交互の層を使用するであろう。しかしながら、この場合、屈折率の差は約０．２３である。その結果、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰミラーは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓミラーと同じ反射性を得るには、はるかに厚くなければならない。しかし、厚さの増加は、実際の解決にならず、吸収と回折の双方の損失が同時に増加し、結果的に、達成し得る最大の反射性を制限するからである。従って、有用な長波長ＶＣＳＥＬを形成するためには、ミラーは、蒸着誘電体又は格子不整合半導体のいずれかで作成されなければならない。図１と２は、従来技術に見られる２つのあり得るミラーの組み合わせを例示する。両者の構造は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰよりも大きい屈折率の差を有する少なくとも１つのウェハー融合ＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー２を使用する。ウェハー融合は、単に機械的圧力と熱を加えることによって、異なる格子定数の半導体が原子的に接合されることができる公知の技術である。図１に示された構造はトップミラーとして電気絶縁性誘電体ミラー３を使用し、一方で、図２に示された構造は、トップミラーとして第２のウェハー融合ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓミラー２を使用する。図１と２に示されたＶＣＳＥＬ構造は、電荷キャリヤーを活性領域に電気注入することに伴ういくつかの問題がある。図１の構造は、絶縁性誘電体トップミラー３を有し、このため金属リング接触４と、注入経路５にそった誘電体ミラー３の周りの注入を必要とする。この接触と注入の方式は、複雑な作成方法に帰結する。図２の構造は、金属接触６を備えた伝導性トップミラー２を介した注入を使用する。しかしながら、ミラー２は一般に抵抗性であり、かなりの抵抗加熱を誘引する。ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰのような材料の光学効率は、温度とともに急速に低下することが知られているため、抵抗加熱はデバイスの出力パワーを制限するであろう。最後に、図１と２の双方の構造及び他の全ての電気的に注入されるＶＣＳＥＬは、光学キャビティの中にｐとのドーパントを必要とする。このドーパントは、さらに光学的損失を誘引し、これは、最終的に出力パワーを制限する。電気ポンピングに代わるものが光ポンピングである。光ポンピングは、複雑な作成、抵抗加熱、及びドーパントが引き起こす損失を回避する。８６０ナノメートルで動作する短波長ＶＣＳＥＬに用いられる１つのアプローチが、文献「著者：McDanielら、題名：Vertical Cavity Surface-Emitting Semiconductor Laser with CW Injection Laser Pumping，IEEE Photonics Tech．Lett.，2(3)（1990 年３月）156-158」に記載されている。著者は、単一短波長ＶＣＳＥＬ用のポンプ源として、平面的半導体レーザーのアレイを使用した。光ポンピングの別なアプローチにおいて、リン(Lin) らは、圧縮歪み下の井戸、引張歪み下のバリヤ、及びＳｉ／ＳｉＯ₂誘電体ミラーの３０ペアからなり、モード同期のＴｉ−サファイアレーザーで光ポンピングされる長波長ＶＣＳＥＬ構造を実証した（文献「 Photopumped Long Wavelength Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers Usin g Strain-Compensated Multiple Quantum Wells，Appl．Phys．Lett．64(25)199 4年６月20日）3395-3397」）。上記のアプローチはいずれも、また、平面的半導体レーザー、色素レーザー、又は固体レーザーポンプを用いたその他のアプローチはいずれも商業的ＶＣＳＥＬにとって実用的でない。実用的な商業的ＶＣＳＥＬは、平面的半導体レーザーに勝る明確な商業的特長を有するために、ウェハー規模で量産可能であって試験可能でなければならない。以上より、必要とされるものが、ウェハー規模で量産可能であって試験可能な、コンパクトで光ポンピングされる長波長ＶＣＳＥＬであることが明らかであろう。発明の要旨本発明は、短波長ＶＣＳＥＬで光ポンピングされる長波長ＶＣＳＥＬを提供する。要するに、本発明による長波長ＶＣＳＥＬは、より短波長の電気ポンピングされるＶＣＳＥＬに光結合されて光ポンピングされる。下に位置するＶＣＳＥＬの上面から放射された短波長放射即ち短波長光は、長波長ＶＣＳＥＬの下側ミラーを通って透過される。好ましい態様において、長波長放射即ち長波長光は、長波長ＶＣＳＥＬの上面から放射される。２つのＶＣＳＥＬは、好ましくは、透明な光学接着剤、ウェハー融合プロセス、又は金属−金属結合を用いて相互に接合される。特定の態様において、短波長ＶＣＳＥＬは９８０ナノメートルで発光し、長波長ＶＣＳＥＬは１３００又は１５５０ナノメートルのいずれかで発光する。長波長ＶＣＳＥＬは、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ又はＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓのウェハー融合の非ドーピングミラー、あるいはＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の交互の層又は何らかの他の誘電体の組み合わせからなる誘電体ミラーのいずれかを使用する。９８０ナノメートルのＶＣＳＥＬでポンピングされ、１３００又は１５５０ナノメートルのいずれかで発光する長波長ＶＣＳＥＬは、光ファイバー通信システムに特に有用である。これらの長波長ＶＣＳＥＬは、単一デバイスとして、適度のパワーの用途における高価な分布型フィードバックレーザーに代わることができる。アレイにおいては、これらのＶＣＳＥＬは、光ファイバーのリボンを用いるか、単一光ファイバーに複数のＶＣＳＥＬを波長分割マルチプレックスすることによって、長距離並列データ伝送の可能性を開拓する。また、一次元又は二次元のアレイは、自由空間の光インターコネクトに有用である。第２の態様において、２つのＶＣＳＥＬが機械的スペーサーによって隔てられる。ＧａＡｓ基板上に直接形成されたＧａＡｓマイクロレンズの組が、ポンプＶＣＳＥＬからの放射即ち光を長波長ＶＣＳＥＬに焦点合わせするために使用される。この態様は高出力パワーを得るのに有用であり、これは、大きい直径の短波長ＶＣＳＥＬが、より小さい直径の長波長ＶＣＳＥＬを光ポンピングするために使用されることが可能なためである。ＧａＡｓマイクロレンズで、いろいろな材料の別々なマイクロレンズが置き換えられることができる。以下の説明と図面を参照することによって、さらに本発明の特質と長所が理解されることができる。図面の簡単な説明図１は、トップ誘電体ミラーを備えた、従来技術の電気注入式の１３００／１５５０ナノメートルのＶＣＳＥＬの概略図である。図２は、２つのウェハー融合ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓミラーを備えた、従来技術の電気注入式の１３００／１５５０ナノメートルのＶＣＳＥＬの概略図である。図３は、本発明の一般的な構造の概略図である。図４は、光学接着剤を用いて長波長ＶＣＳＥＬのペアが短波長ＶＣＳＥＬのペアに接合された本発明の態様の概略図である。図５は、ウェハー融合を用いて長波長ＶＣＳＥＬのペアが短波長ＶＣＳＥＬのペアに接合された本発明の態様の概略図である。図６は、長波長ＶＣＳＥＬのボトムミラーが短波長ＶＣＳＥＬと同じ工程で成長された本発明の態様の概略図である。図７は、本発明の別な態様の概略図である。図８は、集積型マイクロレンズを用いた本発明の態様の概略図である。図９は、金属−金属結合を用いて長波長ＶＣＳＥＬを短波長ＶＣＳＥＬに取り付ける別な技術を例示する。図１０は、長波長ＶＣＳＥＬのボトムとトップの双方のミラーが誘電体を使用する本発明の態様である。図１１は、横方向酸化を利用した態様の概略図である。図１２は、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラーとＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂ミラーについての反射率のグラフである。図１３は、本発明に使用するのに適切な特定の長波長ＶＣＳＥＬの概略図である。図１４は、図１３に示された態様について好ましい吸光材の設計の詳細なエネルギー帯の図である。図１５は、１つのＩｎＧａＡｓ量子井戸についての利得曲線のプロットである。図１６は、本発明の特定の態様についてのポンプパワーと出力パワーのプロットである。図１７は、長波長ＶＣＳＥＬのペアからの長波長光がポンプ放射即ちポンプ光のそれと逆方向に伝搬する本発明の態様の概略図である。図１８は、図１７に例示したものと類似であるが、但し、長波長ＶＣＳＥＬが短波長ＶＣＳＥＬから若干傾いた本発明の態様の概略図である。特定の態様の説明活性領域に電荷キャリヤーを電気注入するのに代わるものは、所望の発光よりも短い波長の光の注入である。注入された光は、長波長キャビティに吸収され、電子と正孔を発生させる。これらの電荷キャリヤーは、次いで量子井戸の中に拡散し、より長い波長で再発光する。光ポンピングは電気接触を必要としないため、作成がはるかに簡単であり、抵抗加熱が生じない。また、キャリヤーは光によって注入されるため、その光はミラーを介して注入されることができる。電気ポンピング方式において、注入は、ミラーが電気絶縁されることを前提に、ミラーの周りで生じさせなければならない。しかも、光ポンピング方式においては、キャビティはドーパントが存在しなくてよく、ドーパントは電気注入を使用したＶＣＳＥＬにおける光損失の主な原因である。図３は、本発明の一般的構造の概略図である。この図とその後のデバイスの図４〜７、９〜１１、１７〜１８は、２つの長波長ＶＣＳＥＬ40を光ポンピングする２つの短波長ＶＣＳＥＬ43を示す。この構造は、限定されるものではなく、作成技術のウェハー規模の特質を大要で示すものである。この同じ技術が、１つの長波長ＶＣＳＥＬをポンピングする１つの短波長ＶＣＳＥＬからなる１つのデバイスを作成するため、又は大きい一次元又は二次元のアレイを作成するために使用されることができる。レーザー43は、電気ポンピングされる短波長ＶＣＳＥＬのペアである。それらは、短波長ミラー32の間に介在する短波長活性領域31を含んでなる。短波長光が、ＶＣＳＥＬ43の上面33からＶＣＳＥＬ40の第２ペアの底面に放射される。ＶＣＳＥＬ40は、ボトムミラー36とトップミラー37の間に介在する長波長活性領域35 を含んでなる長波長ＶＣＳＥＬのペアである。ミラー36と37は長波長ミラーである。ミラー36は、ＶＣＳＥＬ43によって放射される短波長光に対して透明である。長波長光が、トップミラー37から放射される。長波長光の変調は、短波長ポンプＶＣＳＥＬを変調することによって達成される。別な態様において、変調は、長波長ＶＣＳＥＬに接触(contact)を施すことによって達成される。図３と以降のデバイスの図は、垂直にエッチングされて円柱状ポストを形成した短波長ＶＣＳＥＬボトムミラー32と長波長ＶＣＳＥＬトップミラー37を示す。これらのポストは、最初の平面状ウェハーを、屈折率を調整された数多くのデバイスに分割する。屈折率の調整は当該技術で周知であり、エッチング、横方向酸化、注入、拡散、再成長、又は選択的成長によって達成されることができる。好ましい態様において、短波長ＶＣＳＥＬと長波長ＶＣＳＥＬの双方が屈折率を調整されるべきであり、ここで、短波長ＶＣＳＥＬは利得調整又は加熱レンズ化される(thermally lensed)ことができる。図３の光ポンピングされる構造は、ウェハー規模の作成と試験の実現性、及び安価な一次元と二次元のアレイの作成のような、ＶＣＳＥＬの一般的な長所を保有する。このことは、光ポンプとして固体、色素又は平面的半導体レーザーを使用したＶＣＳＥＬと顕著に相違する。これらの後者のアプローチを採用した光ポンピングされるＶＣＳＥＬは、アレイの応用には実用的でなく、ウェハー規模で作成又は試験されることができない。図４は、本発明の１つの態様の概略図である。長波長ＶＣＳＥＬ40は、底面上のウェハー融合のドーピングされていないＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー41と、上面上の誘電体ミラー42を採用する。誘電体ミラー42は、二酸化ケイ素ＳｉＯ₂と二酸化チタンＴｉＯ₂の交互の層からなる。また、誘電体ミラー42は、この他の誘電体材料を用いて作成されることもできる。長波長ＶＣＳＥＬ40は、ＧａＡｓ基板45と46の間の透明な光学接着剤44を用いて短波長ＶＣＳＥＬ43に固定される。図５は、図４に示した態様と本質的に同じであるが、但し、長波長ＶＣＳＥＬ40 のＧａＡｓ基板45が、界面50で短波長ＶＣＳＥＬ43のＧａＡｓ基板46にウェハー融合されている。このアプローチは、非励振反射の低下をもたらすことがある光学接着剤の必要性をなくす。図６に示された別な態様において、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー41は、ＶＣＳＥＬ43と同じエピタキシャル工程で成長させることができ、即ち、この界面における光学接着剤44又はウェハー融合50のいずれかの必要性をなくす。図７は、本発明の別な態様の概略図である。長波長ＶＣＳＥＬ40は、２つのＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー61の間に介在する長波長活性領域60を含んでなる。活性領域60は、界面62でミラー61にウェハー融合される。示された態様において、ダブル融合構造が、光学接着剤44を用いて短波長ＶＣＳＥＬ43に接合される。また、ダブル融合構造は、図５に示されたようにＶＣＳＥＬ43にウェハー融合されることもできる。図８は、集積されたマイクロレンズを利用した態様の概略図である。先の態様と同様に、多数の長波長ＶＣＳＥＬ40を光ポンピングするために多数の短波長ＶＣＳＥＬ43が使用される。ここで、この態様においては、ＶＣＳＥＬのアレイが機械的スペーサー70によって隔てられる。ＶＣＳＥＬのアレイの間に、ＶＣＳＥＬ43からの放射即ち光をＶＣＳＥＬ40に焦点合わせするために使用されるＧａＡｓマイクロレンズ71の組がある。マイクロレンズ71は、短波長ＶＣＳＥＬのＧａＡｓ基板（図示せず）に直接形成され、又は長波長ＶＣＳＥＬのＧａＡｓ基板（図示せず）に直接形成され、あるいは両者に形成される。このように、大きい直径の短波長ＶＣＳＥＬが、より小さい直径の長波長ＶＣＳＥＬを光ポンピングするために使用されることができる。この構造は、長波長ＶＣＳＥＬにおいてより高いパワー出力が得られることを可能にする。別な態様において、マイクロレンズ71は、ガラス又はリフロー可能なポリマーのようなＧａＡｓ以外の材料から作成される。この別な構造において、マイクロレンズ71 は、デバイスの他のパーツとモノリシックに集積されない。図９は、長波長ＶＣＳＥＬ40を短波長ＶＣＳＥＬ43に取り付ける別な技術を例示する。このアプローチにおいて、ＶＣＳＥＬの２つのペアが、金属−金属結合を用いて金属界面75で接合される。金属界面75における窓76の組は、ポンプ光が通り抜けることを可能にする。マイクロレンズ（図示せず）は窓に組み込まれることができる。いろいろな金属が金属を結合するのに使用されることができるが、好ましい態様は、パラジウム又はインジウムのいずれかを含むハンダを使用する。図１０は、ＶＣＳＥＬ40が誘電体ミラー80と81を利用する本発明の態様の概略図である。ＶＣＳＥＬ40をＶＣＳＥＬ43に接合するのに光学接着剤44を使用することにより、この態様はウェハー融合プロセスの使用を必要としない。別な態様において、誘電体ミラー81 は、当該技術で公知の誘電体−半導体結合を用いてＶＣＳＥＬ43に接合される。図１１に大要を示された本発明の態様において、長波長活性領域60は、誘電体ミラー42とボトムミラー90の間に介在する。ミラー90は、ＩｎＰとＩｎＡｌＡｓの交互の層をエピタキシャル成長させることによって作成される。最終的ミラーを作成するため、この構造体はエッチングされ、ＩｎＡｌＡｓ材料の側壁を露出させる。次いでＩｎＡｌＡｓのアルミニウムが側面から酸化され、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＰよりもはるかに低い屈折率を有するＩｎ_wＡｌ_xＡｓ_yＯ_zを形成する。この結果、低反射性ミラーが高反射性ミラーに転化される。また、横方向酸化技術は、アルミニウムとアンチモンを含む化合物で行われることもできる。図１２は、短波長ＶＣＳＥＬ43が９８０ナノメートルで発光し、長波長ＶＣＳＥＬ40が１５５０ナノメートルで発光する本発明の態様について、２つの特殊なミラー設計についての反射率のグラフを示す。グラフ100 は、ＶＣＳＥＬ40のボトムミラーに適切なＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラーについての反射スペクトルである。このミラーは、ポンプ波長を透過し、ＶＣＳＥＬ40の長波長を反射する。グラフ101 は、ＶＣＳＥＬ40のトップミラーに適切なＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体ミラーについての反射スペトクルである。誘電体ミラーは、ＶＣＳＥＬ₄₃の波長を透過する又は反射するのいずれでも設計されることができる。プロット101 に示されたように誘電体がこの波長を透過する場合、ＶＣＳＥＬ40は、ポンプＶＣＳＥＬ 43からの放射即ち光の１つの経路だけを見る。誘電体（図示せず）がポンプ波長を反射する場合、ＶＣＳＥＬ40は、ポンプＶＣＳＥＬ43からの光の２つの経路を見る。誘電体ミラーを部分的に反射するように作成することにより、吸光を高めそれによってポンピング効率を高めるダブル経路構造を設計することができる。また、長波長ＶＣＳＥＬのトップミラーとボトムミラーの双方を、ポンプ波長を部分的に反射するように作成し、共振ポンプ吸光を形成し、ポンピング効率を高めることもできる。ここで、この最後に記載の構造は実行が難しい。図１３は、本発明に使用するのに適切な特定の長波長ＶＣＳＥＬの概略図である。格子がマッチする２つのＩｎＧａＡｓ量子井戸110が、光定在波の２つのピークの上に置かれている。これらの井戸を囲む四元ＩｎＧａＡｓＰ材料111 が、ポンプ光を吸収し、電荷キャリヤーを井戸に注ぎ、そこでそれらは１５５０ナノメートルで再発光する。この材料の吸収係数は１．５×１０⁴ｃｍ^-1のオーダーであり、示された長さについては、キャビティの中を通る２つの経路で入射光の９０％が吸収される。また、図１３は、長波長キャビティが、ポンプ横寸法113 よりも大きい横寸法112 を有することを示す。このことは、ポンプ光から長波長光へのより効率的な変換だけでなく、長波長ＶＣＳＥＬによる単一横モード動作も保証する。好ましい態様において、長波長ＶＣＳＥＬの横寸法112 は、横方向屈折率の変化（即ち、調整された屈折率）によって規定される。屈折率の変化は、デバイスの任意の又は全ての垂直層で規定されることができ、化学的エッチング、再成長、注入、拡散、無秩序化、選択的成長その他の技術によって達成されることができる。屈折率の調整は、半導体レーザーの分野において周知である。図１４は、図１３に示された態様についての好ましい吸光材設計の詳細なエネルギー帯の図である。この図の縦軸は、構造体の中の垂直距離を表し、水平軸は相対的エネルギーを表す。グラフ114 は、価電子帯について、垂直距離の関数としてのエネルギーレベルを示す。グラフ115 は、伝導帯について、垂直距離の関数としてのエネルギーレベルを示す。この態様において、吸光材111 は、組み込み電界を形成するように組成的に傾斜される。組み込み電界は、光発生電荷キャリヤーが量子井戸110 に捕集される速度と効率を助長する。この設計において、吸光材111 は、組成的に傾斜されたＩｎＧａＡｓＰ116 と117 を含んでなる。部分116 は、ボトム上の１．１５μｍのバンドギャップ材料からトップ上の１．３μｍのバンドギャップ材料まで傾斜される。部分117 は、ボトム上の１．３μｍのバンドギャップ材料からトップ上の１．１５μｍのバンドギャップ材料まで傾斜される。この図にＩｎＰの緩衝層118 もまた示されている。図１３と下記の計算は格子がマッチした量子井戸を想定するが、理想的には、量子井戸110は周りの層に関して圧縮歪みを受けるべきである。好ましい態様におけるポンプＶＣＳＥＬの波長、１５５０ナノメートルでのパワー対９８０ナノメートルでのパワーは、下記のように表される。（1）Ｐ_1.5＝（Ｐ_0.98−Ｐ_th）η_iη_conv〔Ｔ／（Ｔ＋Ａ）〕ここで、 η_i＝注入された光子が井戸の中で光学的に再結合する割合 η_conv＝９８０ｎｍから１５５０ｎｍへのエネルギー損失＝９８０／１５５０＝０．６３Ｔ＝１５５０ｎｍでの出力ミラーの透過割合Ａ＝１回の往復あたりに吸収／散乱／回折で損失した光の割合Ｐ_th＝閾値に達するのに必要なポンプパワー閾値ポンプパワーは、図１５に示された量子井戸の利得曲線を用いて計算されることができる。閾値に達するため、量子井戸は、Ｔ＋Ａの往復損失に等しい往復利得を提供しなければならない。キャビティにはドーパントが存在しないため、往復による吸収／散乱／回折の損失は非常に僅かな約０．１％であることができる。０．３％の出力透過が与えられると、閾値利得は０．４％である。両方の井戸が等しくポンピングされるならば、二重経路の吸収についての妥当な推定として、各井戸は各経路につき０．２％又は０．１％の往復利得を提供しなければならない。８０オングストロームの井戸幅が与えられると、この要件は、単位長さあたり１２５０ｃｍ^-1の利得に変換されることができる。この値は、図１５を用いて必要な電流又はパワー密度に変換されることができる。図１５は２の周期的利得増加を含まないため、量子井戸が定在波ピークにある場合、単位長さあたりの利得の妥当値は１２５０／２−６２５ｃｍ^-1である。図１５によると、６２５ｃｍ^-1の利得を達成するには２７０Ａ／ｃｍ²を必要とする。必要な全電流密度は５４０Ａ／ｃｍ²であり、これは２つの量子井戸が存在するためであり、又は同じことであるが、吸収されるパワー密度は６８０Ｗ／ｃｍ²でなければならない。ポンプ光の８５％が吸収されると仮定すると、閾値に達するには８００Ｗ／ｃｍ²が必要とされる。このパワーが直径１０μｍのＶＣＳＥＬの上に均等に分配されると、閾値に達するのに必要な全パワーは０．６ｍＷである。注入されたキャリヤーの一部は、光モードの外に横方向に拡散することがあり得るため、閾値に達するのに必要な注入されるキャリヤーの数はこの数よりも大きい。従って、損失したキャリヤーを補うため、閾値パワーは１．０ｍＷに調節される。図１６は、η_i＝０．８５でη_conv＝０．６３としたときの式(1)のグラフを示す。図１６は、本発明のこの特定の態様について、４ｍＷの９８０ナノメートルのポンプパワーで、約１ｍＷの出力パワーが達成され得ることを例証する。ポンプパワーを高め、吸収効率を改良し、又はより高度な利得媒体を用いることによって出力パワーが増加されることができる。また、より高い出力パワーは、図８に例示された構造を用いても得られることができる。図１６の出力パワー対入力パワーのグラフは、大きなパワー範囲にわたって線形として示されている。一般的な電気ポンピングされるＶＣＳＥＬの曲線は、加熱のせいで大きい駆動電流においてロールオーバーを示す。この効果は図１６には示されておらず、これは、光ポンピングの際の加熱が電気ポンピングの際の加熱よりもはるかに少ないからである。例えば、図１４に示された構造の熱インピーダンスは１ｍＷあたり１Ｋのオーダーである。このことは、キャビティに注ぎ込まれた１ｍＷの熱が１Ｋの温度上昇をもたらすであろうことを意味する。上記の例において、１ｍＷの長波長出力を発生させるのに４ｍＷのポンプが必要であった。残りの３ｍＷの全てが熱に変換されたとしても（起こりそうにない）、その結果は、長波長キャビティにおける３Ｋの温度上昇に過ぎないであろう。極めて対照的に、電気ポンピングされるＶＣＳＥＬにおいては、数１０Ｋの温度上昇が予想されることができる。本発明のもう１つの態様において、長波長光は、ポンプ光と異なる方向に伝搬する。図１７は、この態様の１つのあり得る構造の概略図である。この構造において、短波長活性領域31が、短波長ミラー85と86の間に介在する。ミラー86は、短波長発光の本質的に１００％を反射するが、長波長発光に対しては本質的に透明である。図１８に大要を例示された別な構造において、長波長ＶＣＳＥＬ40は、短波長ＶＣＳＥＬ43に対して若干傾けられる。２つのアレイの傾斜は、長波長光が短波長ミラー86をバイパスすることを可能にする。当業者には理解されるように、本発明は、その技術的思想や本質的特徴から逸脱することなく、その他の特定の形態で具体化されることができる。従って、本発明の好ましい態様の開示は例示のためであり、請求の範囲に示された本発明の技術的思想を限定するものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．第１のレーザー放射用垂直キャビティ表面（ＶＣＳＥＬ）であって、第１ミラーと第２ミラーの間に介在する長波長活性媒体を有し、第１波長で光を放射する第１ＶＣＳＥＬ、及び電気ポンピングされて第２波長で光を放射する第２ＶＣＳＥＬであって、その第２波長はその第１波長よりも短い、第２ＶＣＳＥＬを含んでなり、その第２ＶＣＳＥＬがその第１ＶＣＳＥＬを光ポンピングする光学デバイス。２．その第２ＶＣＳＥＬを電気変調するための手段をさらに含み、その第２ＶＣＳＥＬの変調がその第１ＶＣＳＥＬを変調する請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。３．その第１ＶＣＳＥＬを電気変調するための手段をさらに含む請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。４．その第１と第２のミラーが、その第２波長の光を透過する請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。５．その第１ミラーがその第２波長の光を透過し、その第２ミラーがその第２波長の光を反射する請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。６．その第１ＶＣＳＥＬのその第１と第２のミラーの少なくとも１つが、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウム、ヒ化アルミニウムガリウム、及びヒ化アルミニウムの群から選択された材料の交互の層からなり、その交互の層からなるそのミラーが、その長波長活性媒体にウェハー融合された請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。７．その第１と第２のミラーの少なくとも１つが誘電体ミラーである請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。８．その第１と第２のミラーの少なくとも１つが、リン化インジウムとヒ化インジウムアルミニウム酸化物の交互の層からなる請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。９．その第１ＶＣＳＥＬが、その第２ＶＣＳＥＬにウェハー融合された請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。１０．光学接着剤の層をさらに含み、その光学接着剤がその第１ＶＣＳＥＬとその第２ＶＣＳＥＬの界面にある請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。１１．その第１ＶＣＳＥＬが、金属−金属結合を用いてその第２ＶＣＳＥＬに接合された請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。１２．その金属−金属結合が、インジウム含有ハンダを含んでなる請求の範囲第１１項に記載の光学デバイス。１３．その第１ＶＣＳＥＬのその第１ミラーが、ヒ化ガリウムとヒ化アルミニウムの交互の層からなり、その第１ミラーとその第２ＶＣＳＥＬが単一のエピタキシャル工程で成長された請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。１４．その第１波長が約１３００ナノメートルであり、その第２波長が約９８０ナノメートルである請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。１５．その第１波長が約１５５０ナノメートルであり、その第２波長が約９８０ナノメートルである請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。１６．その第１ＶＣＳＥＬが、第１横寸法を備えた第１光モードを有し、その第２ＶＣＳＥＬが、第２横寸法を備えた第２光モードを有し、その第１横寸法が第２横寸法よりも大きい請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。１７．その第１ＶＣＳＥＬが、横方向の屈折率の変化によって規定される光モードを有する請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。１８．その横方向の屈折率の変化が、化学的エッチング、再成長注入、拡散、無秩序化、及び選択的成長からなる群より選択され、技術を用いて形成された請求の範囲第１７項に記載の光学デバイス。１９．その第１ＶＣＳＥＬと第２ＶＣＳＥＬの間に介在する機械的スペーサー、及びその第１ＶＣＳＥＬとその第２ＶＣＳＥＬの間に介在する少なくとも１つのヒ化ガリウムのマイクロレンズをさらに含み、そのマイクロレンズがその第２ＶＣＳＥＬからの光をその第１ＶＣＳＥＬに焦点合わせする請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。２０．その長波長の活性媒体が、第１の複数の第２波長吸収層と第２の複数の量子井戸層を含んでなる請求の範囲第１項に記載の光学デバイス。２１．レーザー放射用垂直キャビティ表面（ＶＣＳＥＬ）の第１のアレイであって、その第１アレイのそのＶＣＳＥＬは、第１ミラーと第２ミラーの間に介在する長波長の活性媒体を有し、その第１アレイのそのＶＣＳＥＬは第１波長の光を放射する第１アレイ、及びＶＣＳＥＬの第２アレイであって、その第２アレイのそのＶＣＳＥＬは電気ポンピングされて第２波長の光を放射し、その第２波長はその第１波長よりも短い、第２アレイを含んでなり、その第２アレイがその第１アレイを光ポンピングする光学デバイス。２２．第１のレーザー放射用垂直キャビティ表面（ＶＣＳＥＬ）に放射を励起し、その第１ＶＣＳＥＬによって第１波長の光を放射させる方法であって、第２ＶＣＳＥＬを用いて第２波長の光をその第１ＶＣＳＥＬに注入することを含み、その第２波長がその第１波長よりも短い放射励起方法。