特許 5775093 能動フォトニック結晶構造を有する高出力量子カスケードレーザ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5775093

(24)【登録日】2015年7月10日

(45)【発行日】2015年9月9日

(54)【発明の名称】能動フォトニック結晶構造を有する高出力量子カスケードレーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20150820BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/343

【請求項の数】18

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-544494(P2012-544494)

(86)(22)【出願日】2010年10月7日

(65)【公表番号】特表2013-514659(P2013-514659A)

(43)【公表日】2013年4月25日

(86)【国際出願番号】US2010051740

(87)【国際公開番号】WO2011084201

(87)【国際公開日】20110714

【審査請求日】2013年10月3日

(31)【優先権主張番号】12/639,178

(32)【優先日】2009年12月16日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】591013274

【氏名又は名称】ウィスコンシン アラムニ リサーチ ファンデーション

(74)【代理人】

【識別番号】100092093

【弁理士】

【氏名又は名称】辻居 幸一

(74)【代理人】

【識別番号】100082005

【弁理士】

【氏名又は名称】熊倉 禎男

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100103609

【弁理士】

【氏名又は名称】井野 砂里

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100170715

【弁理士】

【氏名又は名称】岡本 和道

(72)【発明者】

【氏名】ボーツ ダン

(72)【発明者】

【氏名】モースト リューク ジェイ

【審査官】 佐藤 宙子

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０２−０１２８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１３３７８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００４３７９４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体レーザアレイデバイスであって、
（ａ）コアを含む量子カスケードレーザ構造と、
（ｂ）前記量子カスケードレーザ構造の上方に光閉じ込め材料の少なくとも１つの層と、前記量子カスケードレーザ構造の下方に光閉じ込め材料の少なくとも１つの層とを含む光閉じ込め構造と、
（ｃ）前記光閉じ込め構造の上方にクラッド材料の少なくとも１つの層と、前記光閉じ込め構造の下方にクラッド材料の少なくとも１つの層とを含むクラッド構造と、
（ｄ）横方向に離間した複数のトレンチ領域であって、前記量子カスケードレーザ構造の一部が該横方向に離間した複数のトレンチ領域の下方に配置されるように、前記量子カスケードレーザ構造内へ部分的に縦方向に延びる、トレンチ領域と、
を備え、各トレンチ領域は、半絶縁性材料を含む下側トレンチ層と、前記半絶縁性材料の屈折率よりも高い屈折率を有する材料を含む上側トレンチ層とを備え、前記トレンチ領域は更に、前記レーザアレイデバイスにおける素子領域によって分離された素子間領域を構成し、
前記素子間領域に対応する基本横モードの有効屈折率は、前記素子領域に対応する基本横モードの有効屈折率よりも大きく、更に、前記レーザアレイデバイスは、全ての素子領域の間に漏洩波による強い結合がある横方向共振条件に適合する同相アレイモードを生成するよう設計されている
ことを特徴とする半導体レーザアレイデバイス。

【請求項2】

前記各トレンチ領域は更に、前記上側トレンチ層の上方に配置された熱伝導材料の層を含む、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記クラッド構造及び前記横方向に離間した複数のトレンチ領域の上に配置された金属の層を更に含む、請求項２に記載のデバイス。

【請求項4】

前記金属層の下側表面と前記量子カスケードレーザ構造の最上面との間の距離は、前記素子領域におけるよりも前記素子間領域においてより小さい、請求項３に記載のデバイス。

【請求項5】

前記デバイスは、連続波又は準連続波作動中に、少なくとも２．５Ｗのコヒーレント平均出力パワーを有して８μｍで放出するよう構成される、請求項１に記載のデバイス。

【請求項6】

前記デバイスは、少なくとも１５％のウォールプラグ効率を提供するよう構成される、請求項５に記載のデバイス。

【請求項7】

前記素子間領域に対応する基本横モードの有効屈折率と前記素子領域に対応する基本横モードの有効屈折率との間の屈折率ステップが、少なくとも０．０５である、請求項１に記載のデバイス。

【請求項8】

前記素子領域の幅は、前記素子間領域の幅の約５倍である、請求項１に記載のデバイス。

【請求項9】

前記トレンチ領域は、前記量子カスケードレーザ構造の厚みの少なくとも２５％を通って延びる、請求項１に記載のデバイス。

【請求項10】

前記レーザアレイの外側縁部において前記素子領域に隣接する境界領域を更に備え、該境界領域はトレンチ領域と同じ材料を含む、請求項１に記載のデバイス。

【請求項11】

前記コアは複数の結合レーザ段を含み、前記複数の結合レーザ段の各々は、電子入射器と、少なくとも１つの量子井戸を有するアクティブレーザ発振領域と、電子反射器とを含む、請求項１に記載のデバイス。

【請求項12】

前記アクティブレーザ発振領域は深井戸構造を有する、請求項１１に記載のデバイス。

【請求項13】

前記コアは複数の結合レーザ段を含み、前記複数の結合レーザ段の各々は、電子入射器と、少なくとも１つの量子井戸を有するアクティブレーザ発振領域と、電子反射器とを含み、前記量子カスケードレーザ構造は、ＡｌＩｎＡｓ障壁層とＩｎＧａＡｓ井戸層とを交互に含む、請求項２に記載のデバイス。

【請求項14】

前記アクティブレーザ発振領域は深井戸構造を有する、請求項１３に記載のデバイス。

【請求項15】

前記下側トレンチ層はＩｎＰを含み、前記上側トレンチ層はＩｎＧａＡｓを含み、前記熱伝導材料はｎ^-−ＩｎＰを含む、請求項１３に記載のデバイス。

【請求項16】

半導体レーザアレイデバイスを製造する方法であって、
（ａ）構造体に横方向に離間した複数のトレンチを形成する段階を有し、前記構造体は、
（ｉ）コアを含む量子カスケードレーザ構造と、
（ｉｉ）前記量子カスケードレーザ構造の上方に光閉じ込め材料の少なくとも１つの層と、前記量子カスケードレーザ構造の下方に光閉じ込め材料の少なくとも１つの層とを含む光閉じ込め構造と、
（ｉｉｉ）前記光閉じ込め構造の上方にクラッド材料の少なくとも１つの層と、前記光閉じ込め構造の下方にクラッド材料の少なくとも１つの層とを含むクラッド構造とを備え、前記トレンチは、前記量子カスケードレーザ構造の一部が前記トレンチの下方に配置されるように、前記構造体内へ縦方向に延び、前記量子カスケードレーザ構造を部分的に通り、
前記方法は更に、
（ｂ）前記トレンチの各々に、半絶縁性材料を含む下側トレンチ層を成長させる段階と、
（ｃ）前記トレンチの各々に、前記半絶縁性材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する材料を含む上側トレンチ層を成長させる段階と、
を有し、これにより素子間領域によって分離される複数の素子領域が前記レーザアレイデバイスに構成され、前記素子間領域に対応する基本横モードの有効屈折率は、前記素子領域に対応する基本横モードの有効屈折率よりも大きく、更に、前記レーザアレイデバイスは、全素子領域間に漏洩波による強い結合がある横方向共振条件に適合する同相アレイモードを生成するよう設計されている
ことを特徴とする方法。

【請求項17】

前記各上側トレンチ層の上方に熱伝導材料の層を成長させる段階を更に含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記クラッド構造の上に金属の層を堆積させる段階を更に含む、請求項１７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

ミサイル回避システム、レーザ光音響分光法（ＬＰＡＳ：laser photo-acoustic spectroscopy）、国土安全保障用途、国防用途における距離測定用照射体、医療診断及び空間伝送などの分光用途において、中波長赤外線（ＭＷＩＲ：mid-wavelength infrared）から長波長赤外線（ＬＷＩＲ:long-wavelength infrared）の範囲（即ち、４〜１２μｍ）で放出する小型レーザ源が現在大きな関心を集めている。しかしながら、十分に強力で小型のレーザ源が無いことが、現在のところこれらの分野での開発を大きく制限している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0002】

【特許文献1】米国特許第７，４０３，５５２号明細書

【特許文献2】米国特許第７，５５８，３０５号明細書

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Ｄ．ボテツ（D. Botez）及びＤ．Ｒ．シフレス（D. R. Scifres）編集による書籍「ダイオードレーザアレイ（Diode Laser Array）」，ケンブリッジ大学出版（Cambridge University Press），１９９４年７月のＤ．ボテツ（D. Botez）「モノリシック位相ロック半導体レーザアレイ（Monolithic Phase-Locked Semiconductor Laser Arrays），第１章第５０〜５３頁

【非特許文献2】バイ等（Bai et al.）,アプライドフィジックスレターズ（Appl. Phys. Lett.），８８，０９１１１２（２００６年）

【非特許文献3】ビスムト等（Bismuto et al.），アプライドフィジックスレターズ（Appl. Phys. Lett.），９３，２３１１０４（２００８年）

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の１つの態様は、量子カスケードレーザ構造を含む半導体レーザアレイデバイスを提供する。量子カスケードレーザ構造は、少なくとも１つのコアを備えた量子カスケードレーザ構造と、量子カスケードレーザ構造の上方に光閉じ込め材料の少なくとも１つの層と、量子カスケードレーザ構造の下方に光閉じ込め材料の少なくとも１つの層とを含む光閉じ込め構造と、光閉じ込め構造の上方にクラッド材料の少なくとも１つの層と、光閉じ込め構造の下方にクラッド材料の少なくとも１つの層とを含むクラッド構造と、量子カスケードレーザ構造内に部分的に縦方向に延びる、横方向に離間した複数のトレンチ領域と、を備える。各トレンチ領域は、半絶縁性材料を含む下側トレンチ層と、半絶縁性材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する材料を含む上側トレンチ層とを備える。下側及び上側トレンチ層に加えて、各トレンチ領域は更に、上側トレンチ層の上方に配置された熱伝導材料の層を含む。これらのトレンチ領域は、レーザアレイデバイスにおいて素子領域により分離される素子間領域を構成する。

【0005】

レーザアレイデバイスは、素子間領域に対応する基本横モードの有効屈折率は、前記素子領域に対応する基本横モードの有効屈折率よりも高いことを特徴とする。加えて、本デバイスは、素子領域の全ての間で漏洩波による強い結合がある横方向共振条件に適合する同相アレイモードを生成するよう設計されていることを特徴とする。

【0006】

任意選択的に、金属の層をデバイスのクラッド構造の上に配置することができる。デバイスの一部の実施形態において、素子間領域では、金属の層の下側表面と量子カスケードレーザ構造の最上面との間の距離は、素子領域におけるものよりも小さく、量子カスケードレーザ構造からの熱除去を向上させるようにする。

【0007】

デバイスの一部の実施形態は、連続波又は準連続波作動中に、少なくとも２．５Ｗのコヒーレント平均出力パワーを有して８μｍで放出するよう構成される。このような一部の実施形態において、デバイスは、少なくとも１５％のウォールプラグ効率を提供するよう構成される。

【0008】

素子間領域に対応する基本横モードの有効屈折率と、素子領域において対応される基本横モードの有効屈折率との間の屈折率ステップは通常、従来の能動フォトニック結晶構造のものよりも遙かに大きい。例えば、素子間領域において対応される基本横モードの有効屈折率と、素子領域に対応する基本横モードの有効屈折率との間の屈折率ステップは、少なくとも０．０５とすることができる。

【0009】

本発明の別の態様は、上述のタイプの半導体レーザアレイデバイスを製造する方法を提供する。この方法は、構造体内に横方向に離間した複数のトレンチ領域を形成する段階と、トレンチの各々に、半絶縁性材料を含む下側トレンチ層を成長させる段階と、トレンチの各々に、半絶縁性材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する材料を含む上側トレンチ層を成長させる段階とを含み、これにより、素子間領域によって分離される複数の素子領域がレーザアレイデバイスに構成される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】能動フォトニック結晶（ＡＰＣ：active-photonic-crystal）構造を有し同相光学モードで作動するレーザの概略図を示す。

【図2】ＡＰＣ構造を有する量子カスケードレーザの１つの実施形態の概略断面図を示す。

【図3】深井戸構造を有する量子カスケードレーザ構造の１つの段に対する伝導帯エネルギーの概略図であり、垂直方向の矢印がエネルギーレベル４と３の間のレーザ遷移を示す。

【図4】図２のデバイスの素子間領域における横屈折率プロファイルを示している。

【図5】素子間間隔の関数として、３つの素子間領域を備えたＡＰＣ構造を有する量子カスケードレーザの同相上側隣接及び下側隣接モードにおける閾値電流密度を示しており、矢印が同相モードでの横共振を示している。

【発明を実施するための形態】

【0011】

中波長から長波長（即ち、４〜１２μｍ）の赤外放射線を放出することができる半導体レーザアレイデバイスが提供される。本デバイスは、準連続波又は連続波（ＣＷ：continuous wave）作動中にハイパワー及び高ウォールプラグ効率で動作することができる。本デバイスは、ミサイル回避システム、レーザ光音響分光法、軍事防御距離測定における標的用照射体、医療診断、空間伝送、及び包装用レーザマーキングを含む、様々な用途で使用するのに好適である。

【0012】

基本的な実施形態において、デバイスは、１つ又はそれ以上の能動コアを備えた量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：quantum cascade laser）構造と、光閉じ込め構造と、クラッド構造と、光閉じ込め構造及びクラッド構造を通り、部分的にＱＣＬ構造内にまで縦方向に延びる、横方向に離間した複数のトレンチ領域とを含む。トレンチ領域は、その各々が半絶縁性材料を含む下側トレンチ層とその半絶縁性材料よりも高い屈折率を有する材料を含む上側トレンチ層とを備え、レーザアレイデバイスに素子領域によって分離された横方向に離間した複数の素子間領域を構成する。加えて、基本横モードにおける高屈折率又は高有効屈折率の境界領域が、レーザアレイデバイスの外縁で素子領域に隣接して設けられる。これらの境界領域は、トレンチ領域と同じ物質から構成されるのが望ましい。

【0013】

光閉じ込め構造は、ＱＣＬ構造の上方の光閉じ込め材料の１つ又はそれ以上の層と、ＱＣＬ構造の下方の光閉じ込め材料の１つ又はそれ以上の層とを含む。クラッド構造は、光閉じ込め構造の上方のクラッド材料の１つ又はそれ以上の層と、光閉じ込め構造の下方のクラッド材料の１つ又はそれ以上の層とを含む。

【0014】

レーザアレイデバイスは、素子領域における基本横モードと、素子間領域における基本横モードとに対応するよう構成され、ここで素子領域（「低屈折率領域」）における基本横モードの有効屈折率は、素子間領域（「高屈折率領域」）における基本横モードの有効屈折率よりも小さい。その結果として、漏洩波により全ての素子領域間で強い結合が存在する横方向共振条件に適合する同相アレイモードを有する能動フォトニック結晶（ＡＰＣ）を備えたデバイスが得られる。反導波レーザアレイにおけるこのような横方向共振条件の説明は、上記の非特許文献１で見ることができる。

【0015】

図１は、同相モードの横方向共振条件に適合したＡＰＣレーザ構造の概略図を示す。図１で提示される半導体レーザアレイデバイスでは、ＡＰＣの低屈折率素子領域上で選択的に増強されたゲインは、３つ又は４つの低屈折率素子領域しか持たないデバイスから高い（例えば、＞１５％）ウォールプラグ効率を有する高平均パワー（例えば、約２．５〜３．０Ｗ）に対する空間単一モード作動を提供する。このデバイスでは、エネルギーの９９％までが高ゲイン低屈折率素子領域にあり、より高次のモードは、高屈折率素子間領域において光学的損失により弁別されるので、望ましい同相モードは、レーザ発信に有利に働く。通常、素子間領域における基本横モードの有効屈折率と、素子領域における基本横モードの有効屈折率との間の屈折率ステップは、約０．０５〜０．１０である。この屈折率ステップは、上述の量子カスケードレーザ構造（上記の非特許文献２を参照）よりもおよそ一桁大きく、従って、そのデバイスとは違って、ビームパターンは、熱レンズ効果による影響を受けず、ワット範囲の平均パワーに対する準ＣＷ及び／又はＣＷ作動は、近回折限界ビームにおいて達成することができる。

【0016】

ＡＰＣ構造を有する半導体レーザアレイデバイスの１つの実施形態が、図２において概略的に示されている。例示の目的で、図２のデバイスは、ＩｎＰベースのシステムに関して説明されている。しかしながら、構造は、ＧａＡｓ又はＧａＳｂのような他の半導体系に基づくことができる。図２のデバイスにおいて図示するように、デバイスのＱＣＬ構造は、量子井戸及び障壁の超格子から構成されるコア２０２を含む。コアは、複数の結合レーザ段（例えば、少なくとも１０、少なくとも２５、又は少なくとも３０）を提供し、その各々が、電子入射器、少なくとも１つの量子井戸を有するアクティブレーザ発振領域、及び電子反射器を含む。コアは、深井戸構造を有するレーザ段を含むのが望ましい。深井戸構造において、アクティブレーザ発振領域における量子井戸は、隣接する電子入射器の量子井戸の底部よりもエネルギーが低い井戸底部を有する。深井戸構造の使用は、キャリア漏れを抑制するので有利であり、デバイス性能を温度変化に左右されないようにし、より強力で効率的な作動を可能にする。一部の実施形態において、ＱＣＬ構造は１つよりも多くのコアを含むことができる。複数のコアを有するＱＣＬ構造の説明は、上記の非特許文献３において見ることができる。

【0017】

図３は、深井戸構造を有し且つ８〜９μｍ範囲で放出するよう設計された量子カスケードレーザ構造の１つの実施形態における伝導帯エネルギーの概略図を示す。この実施形態の量子カスケードレーザ構造は、ＡｌＩｎＡｓとＩｎＧａＡｓの交互する層を含む深井戸構造である。この構造は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：metal-organic chemical vapor deposition）によって成長し、種々の井戸及びコアを構成する障壁層を含む多層構造を提供することができる。深井戸量子カスケードレーザ構造の更に詳細な説明は、上記の特許文献１及び２で見ることができる。

【0018】

本デバイスの光閉じ込め構造は、光閉じ込め材料の少なくとも１つの下側層と、光閉じ込め材料の少なくとも１つの上側層とを含む。一部の実施形態において、光閉じ込め構造は、光閉じ込め材料の１つよりも多い上側及び／又は下側層を含むことができる。図２のデバイスにおいて、光閉じ込め構造は、下側及び上側光閉じ込め層２０４、２０６（例えば、ｎ^-−ＩｎＰ）を含む。

【0019】

光閉じ込め構造と同様に、クラッド構造は、クラッド材料の１つよりも多い上側層と１つよりも多い下側層とを含むことができる。図２のデバイスにおいて、クラッド構造は、上側クラッド層２０８（例えば、ｎ⁺−ＩｎＰ）を含む。下側クラッド層は、デバイスが成長する基材層２０９（例えば、ｎ−ＩｎＰ）により提供される。加えて、図２に示すクラッド構造は、追加の上側クラッド層２１０（例えば、ｎ⁺⁺−ＩｎＰ）を含む。光閉じ込め構造は、これらにわたる適切な電気伝導を提供し、クラッド層と協働してＱＣＬ構造に放出される光の光閉じ込めを可能にするような適切な屈折率を有するように選択される。追加のクラッド層２１０を利用して、構造上に堆積される金属（例えば、Ａｕ）の層への吸収損失を抑制することができる。

【0020】

レーザアレイデバイスの素子間領域は、光閉じ込め及びクラッド構造の上側セクションを通って部分的にＱＣＬ構造２０２内に延びる充填トレンチ２１６である複数のトレンチ領域に相当する。充填トレンチの各々は、近隣の素子領域におけるＱＣＬ構造に隣接した下側トレンチ層２１８を含み、該下側トレンチ層は、充填トレンチが延びるＱＣＬ構造の低電圧部分を通じた漏洩電流を阻止するための半絶縁性材料（例えば、ＦｅドープＩｎＰ又は半絶縁性ＩｎＰ）を含む。充填トレンチは、ＱＣＬ構造内に十分な距離を延びることができる。例えば、一部の実施形態において、充填トレンチは、ＱＣＬ構造の段の少なくとも２５％に延びる。これは、量子カスケードレーザ構造における段の少なくとも５０％を充填トレンチが延びる実施形態を含む。充填トレンチの各々は更に、半絶縁性材料よりも高い屈折率を有する材料を含む上側トレンチ層２２０を備える。例えば、図２に示す実施形態において、上側トレンチ層は、ｎ^-−ＩｎＧａＡｓから構成することができる。充填トレンチの各々は更に、高い熱伝導材料（例えば、ｎ^-−ＩｎＰ）を含む上側トレンチ層の上方に追加のトレンチ層２２２を任意選択的に含むことができ、更にまた、追加のトレンチ層２２２の上に金属層２１２（例えば、〜５μｍのめっきＡｕ層）を含むことができる。図４は、図２の線Ａ−Ａ’から見た、素子間領域（金属層を除く）を通る横断屈折率プロファイルの概略図を示している。

【0021】

図２に描いた充填トレンチ設計は、高い熱伝導材料（即ち、ＩｎＰ）が存在すること、及び金属層がＱＣＬ構造に近接していることに起因して、デバイスの素子領域から横方向の熱を除去することができる。加えて、この充填トレンチ設計は、以下の実施例においてより詳細に説明するように、同相モードにおけるレーザ発振のみを選択するためのモード間の弁別を可能にする。

【0022】

本発明の半導体レーザアレイデバイスは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を使用して基材上にＱＣＬ構造を成長させることにより製造することができる。次いで、ＱＣＬ構造をパターン形成し、反応性イオンエッチングと湿式化学エッチングとの組み合わせを用いることによりトレンチを作製することができ、選択的ＭＯＣＶＤ再成長を利用して、ＡＰＣ構造の高屈折率素子間領域を形成することができる。図２に示す実施形態において、Ｓｉ₃Ｎ₄ストライプマスクを用いて、エッチングによりＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、及びＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ材料層を除去することができる。例えば、ＣＨ₄／Ｈ₂／Ａｒ／Ｃｌ₂／ＢＣｌ₃ガス混合物で電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）エッチングを用いる。Ｂ及びＧａの反応物を除去し、ぼほ完全な側壁の滑らかさを確保するためには、最終湿式化学エッチングが望ましいとすることができる。誘電マスクを用いて、ＡＰＣの高屈折率素子間領域を構成する種々のトレンチ層の選択的ＭＯＣＶＤ成長を実施することができる。

【0023】

以下の実施例においてより詳細に説明するように、本発明の半導体レーザアレイデバイスは、ＣＷ及び準ＣＷ作動中に高パワー及び高ウォールプラグ効率で作動することができる。例えば、本発明のデバイスの一部の実施形態は、少なくとも２．５Ｗの平均出力パワーを有する回折限界ビームと、準ＣＷ作動下の２０％デューティサイクルで少なくとも１５％のウォールプラグ効率を有する８μｍ放射レーザを提供する。これは、少なくとも３Ｗの平均出力パワーを有する回折限界ビームと、準ＣＷ作動下の２０％デューティサイクルで少なくとも２０％のウォールプラグ効率を有する８μｍ波長レーザ発振を提供するデバイスを含む。

【実施例】

【0024】

この実施例において示す計算は、同相モードでのレーザ発振のみを選択する本発明の半導体レーザアレイデバイスの充填トレンチ設計の能力を示し、さらに、８μｍ波長での準ＣＷ（即ち、２０％デューティサイクルで）作動中に高コヒーレント平均出力パワー及び高ウォールプラグ効率を達成するデバイスの少なくとも特定の実施形態の能力を示している。

【0025】

素子間領域の充填トレンチ設計は、ＱＣＬ構造との著しく低減した横フィールド重なり、並びにクラッド構造の上に堆積された金属に対する強い吸収損失の両方に起因して、フィールドをＱＣＬ構造から引き離し、これにより２つの望ましい特性、即ち、高有効屈折率及び低モードゲインを一度に達成する。図２の設計における金属は、ＱＣＬ構造の最上層に近付けられ、これらの領域における強い吸収を確保するようにする。図２に示す設計では、高屈折率素子間領域の損失係数は、９８ｃｍ^-1であるのに対し、低屈折率素子領域では７ｃｍ^-1に過ぎない。所望の同相モード（図１）での優先的なレーザ発振は、横共振点及びその近傍で生じる。λ＝８．０μｍ及び（横方向の）屈折率ステップが０．０７では、横共振は、ｓ＝６．０μｍにおいて生じるよう計算され、ここで、ｓは高屈折率素子間領域（図１）の幅である。共振点及びその近傍では、同相モードは、その領域におけるフィールドの〜９９％を有するが、非共振モードは、その領域におけるフィールドの８６％程度を有する。その結果、同相モードの〜１％だけ高屈折率素子間領域の損失が「認められ」、非共振漏洩モードは遙かに多くの損失が「認められる」。

【0026】

共振時に中央遠距離電磁界ローブ（central far-field lobe）において大きなエネルギー量（即ち、〜６７％）を得るために、低屈折率素子領域幅ｄは、ｓよりも約５倍大きいのが望ましい。説明の目的で、３０μｍのｄ値を用いて、３つの低屈折率素子領域を含む、図２に示す構造について一次元解析を実施することができる。図５は、高反射率（ＨＲ：high-reflectivity）コーティングをバックファセット上に有する３ｍｍ長デバイスにおいて、所望の同相モード及びこれに隣接する高次モードに対する計算閾値電流密度Ｊｔｈを示している。Ｊｔｈ値において、以下の基準式を用いることができる。

【数1】

ここで、α_endはミラー損失、α_w,mはｍ次モードでの導波路損失、ｇはゲイン係数（８μｍＱＣＬにおいて〜１０ｃｍ／ＫＡ）、Γ_2D,mはｍ次モードでの２次元閉じ込め係数である。モード弁別器は、同相モード共振近傍で有意に変化するので、α_w、m及びΓ_2D,m項である。図５から分かるように、共振点及びその近傍では、同相モードは、上述のように、高屈折率の部位での損失が最少量であるのが「分かる」ので、最高Γ_2D値及び最低α_w、m値の両方を有する理由からレーザ発信するのに特に好ましい。（（各低屈折率部位において）結合一次モードから構成されるＡＰＣモードはまた、そのΓ_2D値が共振点又はその近傍での同相モードのΓ_2D値よりも小さいために抑制される。）同相モードのレーザ発振は、ｓ変動が〜２．０μｍ規模領域を上回るのが好ましい。ビーム幅≦２倍では、回折限界（即ち、同相モード及び隣接モードの組み合わせ）は、幅３．０μｍ程度の領域にわたって変化する可能性がある。従って、両方の場合において、製造公差は、フォトリソグラフィーにより容易に達成される。

【0027】

説明の目的で、〜３Ｗのコヒーレント平均出力パワーを得るのに使用されるパラメータも決定することができる。コアにおいて深井戸量子カスケードレーザ構造を利用する１０μｍ幅アパーチャデバイスからの推定平均パワーは０．５Ｗである。３０μｍ幅低屈折率素子領域を備えた４素子領域構造は、６．０Ｗに相当する。ＡＰＣ関連の損失に起因するパワーペナルティが〜７％、合計パワーの６７％が主遠距離電磁界ローブにおいて放出されると仮定すると、投射可能回折限界平均パワーは、〜３．６Ｗである。〜７％パワーペナルティ、及び主ローブパワーのみが収集されることを考慮すると、この実施形態において２０％デューティサイクルで投射最大ウォールプラグ効率は、２．５Ｗの平均出力パワーで１５．６％である。

【0028】

しかしながら、放出パワーが空間的にコヒーレントであり、フラットな位相面のものである限り、振幅−位相変換の方法を用いて中央ローブで全ての光を集めることができる。したがって、１つの実施形態において、パワーの９５％は、中央ローブで集めることができ、必要な光学系により１０％の出力低下を生じる可能性がある。その結果、有効パワーは、２０％のウォールプラグ効率で３．２Ｗが供給される状態になる。

【0029】

本明細書で使用される場合、別途指定のない限り、単数形態は「１つ又はそれ以上」を意味する。本明細書にて記載された全ての特許、出願、引例、及び公表物は、あたかも引用により個別に組み込まれたのと同程度に引用により全体が本明細書に組み込まれる。

【0030】

当業者には理解されるように、あらゆる全ての目的において、特に本明細書を提供することに関して、本明細書で開示される全ての範囲は、あらゆる可能な部分的範囲及びそれらの部分的範囲の組合せも包含する。あらゆる記載された範囲は、その同じ範囲が少なくとも等しい半分、三分の一、四分の一、五分の一、十分の一などに分割されることを十分に説明し且つ可能にすると容易に認識することができる。非限定的な実施例として、本明細書で検討された各範囲は、下位の三分の一、中位の三分の一、及び上位の三分の一などに容易に分解することができる。同様に当業者には理解されるように、「まで」、「少なくとも」、「より大きい」、及び「よりも少ない」などの全ての表現は、列挙された数を含み、且つその後に上述のような部分的範囲に分解することができる範囲を意味する。最後に、当業者には理解されるように、範囲は各個々の部分要素を含む。

【0031】

本発明は、本明細書に包含される実施形態及び例証に限定されず、以下の請求項の範囲内にある実施形態の一部及び異なる実施形態の要素の組み合わせを含む、これらの実施形態の修正形態を含むことを特に意図するものである。

【図1】

【図3】

【図4】

【図2】

【図5】