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(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】
(24)【登録日】2024-09-03
(45)【発行日】2024-09-11
(54)【発明の名称】垂直外部共振器型面発光レーザ
(51)【国際特許分類】
H01S 5/183 20060101AFI20240904BHJP
H01S 5/14 20060101ALI20240904BHJP
H01S 3/11 20230101ALI20240904BHJP
【ＦＩ】
H01S5/183
H01S5/14
H01S3/11
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2021555993
(86)(22)【出願日】2020-10-28
(86)【国際出願番号】 JP2020040375
(87)【国際公開番号】W WO2021095523
(87)【国際公開日】2021-05-20
【審査請求日】2023-09-28
(31)【優先権主張番号】P 2019207122
(32)【優先日】2019-11-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000226057
【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】高野 哲至
(72)【発明者】
【氏名】小川 尚史
【審査官】村井 友和
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１２６０４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００５／０２８１３０９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００５－０３９０９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】Savitski V.G et al，Cavity-dumping of a semiconductor disk laser for the generation of wavelength-tunable microjoule nanosecond pulses，OPTICS EXPRESS，米国，2010年05月24日，vol.18, no.11，11933-11941
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも２枚のミラーを有する共振器と、前記共振器内に配置される半導体レーザ媒質と、
前記共振器に設けられるＱスイッチと、
を有し、
前記Ｑスイッチは、前記半導体レーザ媒質によって増幅された光のパワーが所定のレベルに達したときに、前記共振器のＱ値を第１のレベルから、前記第１のレベルよりも低い第２のレベルに下げることで光パルスを出力し、
前記Ｑ値が前記第１のレベルから前記第２のレベルに切り替えられる前に、前記共振器を構成する前記ミラーの１枚は前記半導体レーザ媒質に対向する面と反対側の面から注入同期光を入射する、垂直外部共振器型面発光レーザ。
【請求項2】
前記共振器の共振器長が前記注入同期光の波長の整数倍に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
【請求項3】
前記Ｑスイッチは、前記パワーが定常値に近づくか、または定常値に達したときに前記Ｑ値を前記第２のレベルに切り替えることを特徴とする、請求項１または２に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
【請求項4】
前記Ｑスイッチは、機械的、音響的、または電気光学的に前記Ｑ値を切り替えることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
【請求項5】
前記共振器を構成する前記ミラーの１枚と前記半導体レーザ媒質は、同一チップ上に形成されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
【請求項6】
前記半導体レーザ媒質は前記共振器を構成する前記ミラーの１枚に接合された活性層であることを特徴とする請求項５に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
【請求項7】
前記半導体レーザ媒質を励起する励起光源、をさらに有する請求項１～６のいずれか一項に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
【請求項8】
前記半導体レーザ媒質を励起する電流源、をさらに有する請求項１～６のいずれか一項に記載の垂直外部共振器型面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、垂直外部共振器型面発光レーザに関する。
【背景技術】
【0002】
Ｑスイッチレーザは、光共振器の内部にレーザ媒質とＱスイッチを配置し、Ｑスイッチによって共振器の増幅率を切り替えることで光パルスを出力するレーザである。レーザ媒質として、光が共振器を反復する周期よりも十分に長い寿命をもつ活性物質（Ｙｂ，Ｎｄなどの希土類イオン）を含む単結晶（ＹＡＧ：Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔなど）やガラスとする構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【0003】
また、レーザ媒質の端面を光共振器の一方の反射面として用い、レーザ媒質を励起し、光共振器の内部のＱスイッチを切り替えてパルス発振させる構成が知られている（たとえば、特許文献２参照）。
【0004】
一般的に、ＱスイッチはＱ値を低い方から高い方へ切り替えることで、ゲイン媒質中に反転分布として蓄積されたエネルギーを、高エネルギーの光パルスに変換して出力する。そのため、媒質として、光が共振器を反復する周期よりも十分に長い寿命をもつ活性物質が望ましい。
【0005】
垂直外部共振器型面発光レーザ（Vertical External-cavity Surface-emitting Lasers：以下「ＶＥＣＳＥＬ」ともいう）は、光励起もしくは電流励起によってレーザ発振する面発光レーザである。面発光半導体チップ（ＶＥＣＳＥＬチップ）から発生した光を、少なくとも１枚以上の鏡によって構成される光共振器によって増幅して発振をさせる。光半導体の励起寿命はサブナノ秒（ｎｓ）程度であり、この寿命は、光共振器を反復する周期よりも短いことが多い。したがって、ＶＥＣＳＥＬでＱスイッチレーザを構築して高ピークパワーのパルスを得ることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００８－１７７２２６号公報
【文献】特開平４－４２９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、高ピークパワーのパルスを出力する面発光半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の第１の側面では、垂直外部共振器型面発光半導体レーザは、少なくとも２枚のミラーを有する共振器と、前記共振器内に配置される半導体レーザ媒質と、前記共振器に設けられるＱスイッチと、を有する。
【発明の効果】
【0009】
高ピークパワーのパルスを出力する垂直外部共振器型面発光レーザが実現される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1A】本発明の一実施形態に係る基本原理を説明する図であり、共振器への光パワーの蓄積を示す図である。
【図1B】本発明の一実施形態に係る基本原理を説明する図であり、高Ｑから低Ｑへの切り替えを示す図である。
【図2】第１実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザの模式図である。
【図4】第１実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザの動作を説明する図である。
【図5A】第１実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザの共振器特性（光のパワー透過率）を示す図である。
【図5B】第１実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザの共振器特性（共振器内パワー）を示す図である。
【図5C】第１実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザの共振器特性（共振器出力）を示す図である。
【図7A】第２実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザの基本動作を説明する図であり、共振器への光パワーの蓄積を示す図である。
【図7B】第２実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザの基本動作を説明する図であり、高Ｑから低Ｑへの切り替えを示す図である。
【図8】第２実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザの構成例を示す図である。
【図9】第２実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザの変形例である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
半導体レーザのような励起寿命の短いレーザ媒質では、非平衡状態のエネルギーを十分にため込むことができず、一般的な動作のＱスイッチで高ピークパワーのパルスを発振できないおそれがある。他方で、半導体レーザは例えば安価で小型、低消費電力、波長設計可能かつ使い易いなどのメリットを有し、高ピークパワーのパルス出力が可能な半導体レーザの実現が望まれる。
【0012】
実施形態では、レーザ媒質として半導体レーザを用いる。レーザ媒質にエネルギーを蓄積するのではなく、共振器内に光エネルギーを蓄積する。共振器内に十分なエネルギーが蓄積されたところで、共振器のＱ値を高い方から低い方へと切り替えて、光パルスを出力する。高Ｑ値にするためには共振器の光学ロスが多いと難しいため、光学ロスの少ない、例えばＶＥＣＳＥＬや光励起半導体レーザ（Optically Pumped Semiconductor Laser：以下「ＯＰＳＬ」ともいう）のような面発光レーザに適している。外部から注入同期光を入射することで、パルス出力の中心波長のコントロールも可能になる。
【0013】
＜基本原理＞
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る基本原理を説明する図である。垂直外部共振器型面発光レーザ１０は、少なくとも２枚のミラー１１及び１２で形成される共振器１３と、共振器１３の中に配置される半導体レーザ媒質１４と、共振器１３に設けられるＱスイッチ１５とを有する。
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る基本原理を説明する図である。垂直外部共振器型面発光レーザ１０は、少なくとも２枚のミラー１１及び１２で形成される共振器１３と、共振器１３の中に配置される半導体レーザ媒質１４と、共振器１３に設けられるＱスイッチ１５とを有する。
【0014】
半導体レーザ媒質１４のキャリアが伝導帯へ励起されると、再結合によって光を放出する。誘導放出により反転分布が得られると半導体レーザ媒質１４から光が放出される。放出された光は、ミラー１１とミラー１２の間を往復し、増幅される。この間、図１Ａに示すようにＱスイッチの透過率は高く設定され、共振器１３のＱ値は高く維持される。共振器１３に蓄積されるパワーが一定レベル以上になったところで、図１Ｂに示すように、Ｑ値を低い側に切り替えて、共振器１３内に蓄積されたパワーを放出する。
【0015】
Ｑ値は、共振する系の振動の持続特性を表わす無次元量であり、一般的に、共振周波数の線幅（ＦＷＨＭ）に対する、共振周波数の比で表される。Ｑ値が高いほど系は安定して共振し、内部のエネルギーが増大する。
【0016】
Ｑスイッチ１５は、共振器１３の内部のエネルギーが十分に高くなったところで、一気にＱ値を下げ、エネルギーを放出する。これにより、垂直外部共振器型面発光レーザ１０から高エネルギーの光パルスが出力される。
【0017】
この構成は、一般的なＱスイッチレーザの構成、すなわち、ゲイン媒質内に光エネルギーを蓄積する間はＱ値を低く維持し、エネルギーが蓄えられたところでＱ値を上げて発振させる構成と、根本的に異なる。
【0018】
半導体レーザ媒質１４は、半導体の材料、組成、量子井戸層の膜厚、積層数等を制御することで、所望の基本波長で発振することができ、小型化が容易である。共振器１３での光の増幅と、高Ｑ値から低Ｑ値への切り替えによって、小型で安価な半導体レーザ媒質１４を用いて、高パワーのパルス光を出力することができる。
【0019】
＜第１実施形態＞
図２は、第１実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ａの模式図である。垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ａは、ＶＥＣＳＥＬチップ２０と、ミラー１２と、Ｑスイッチ１５を有する。
図２は、第１実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ａの模式図である。垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ａは、ＶＥＣＳＥＬチップ２０と、ミラー１２と、Ｑスイッチ１５を有する。
【0020】
ＶＥＣＳＥＬチップ２０は、一例として、ヒートシンク１６と、分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector：以下「ＤＢＲ」ともいう）ミラー１１Ａと、ＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａがこの順で積層された構成を有する。ＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａは励起吸収層と活性層を交互に積み重ねたゲイン媒質であり、半導体レーザ媒質１４の一例である。ＤＢＲミラー１１Ａは、ミラー１２とともに共振器１３Ａを形成する。
【0021】
ＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａは、たとえば所望の基本波長に設計された面発光レーザであり、外部からの光照射、もしくは電流注入によって励起される。Ｑスイッチ１５は、共振器１３Ａの内部に蓄積される光パワーが所定値以上に高まったときに、Ｑ値を低い方に切り替えて、蓄積された光パワーを一気に放出する。図２の模式図では、Ｑスイッチ１５は便宜上、ミラー１２とＶＥＣＳＥＬチップ２０の間に描かれているが、この例に限定されず、ミラー１２がＱスイッチ１５の機能を有していてもよい。
【0022】
図３は、ＶＥＣＳＥＬチップ２０の構成例である。ＤＢＲミラー１１ＡとＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａを含む積層体２５は、ヒートシンク１６の上に支持されている。ヒートシンク１６は、ＶＥＣＳＥＬチップ２０全体を支持することができ、かつ熱を逃がすことのできる任意の基板である。基板上の積層体２５に用いられる半導体材料の種類にもよるが、基板として、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＮ、ＧａＮ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＳｉＣ等を用いることができる。ここでは、一例としてＧａＡｓ基板を用いる。
【0023】
ＤＢＲミラー１１Ａは、ヒートシンク１６として機能する基板上に、屈折率の異なる半導体層を１／４波長程度の厚さで交互に積層して形成される。一例として、ＧａＡｌＡｓとＧａＡｓの薄膜を交互に積層して、反射率が９９．９％のミラーを形成する。
【0024】
ＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａは、一例として、量子井戸構造を有する励起吸収層であり、面発光が可能なレーザ媒質である。量子井戸層の材料を選択することで、広い範囲で発振波長を設計することができる。長距離の光通信用に用いる場合は、伝送損失の少ない１．３μｍ帯～１．６μｍ帯の面発光レーザを設計することができる。中距離の光ファイバ通信に用いる場合は、０．８μｍ帯から１．０μｍ帯の面発光レーザを設計することができる。ここでは、たとえば厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰの量子井戸を１０層繰り返して、多重量子井戸を形成する。
【0025】
ＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａの最表面に、光閉じ込め層１７を配置してもよい。光閉じ込め層１７により、自然放出により生じた光が散逸するのを防止して、効率良く誘導放出へと導く。ＶＥＣＳＥＬチップ２０は、すでに確立された半導体技術を用いて作製可能であり、ウェハから大量のＶＥＣＳＥＬチップを切り出すことができる。
【0026】
図４は、ＶＥＣＳＥＬチップ２０を用いたゲイン部の動作を説明する図である。垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ａは、たとえば、基本発振波長が９８０ｎｍのレーザ媒質を用いる。レーザ媒質は、図３を参照して説明したように、ＤＢＲミラー１１Ａとともに積層体２５に組み込まれた面発光型のＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａである。
【0027】
図４の例では、ＶＥＣＳＥＬチップ２０は、励起光源３の照射によって励起される。励起光源３は、たとえば、波長８０８ｎｍの励起光を出力するＣＷ（連続波）レーザ、または疑似連続発振（連続発振時間がマイクロ秒以上）が可能な間欠ＣＷレーザである。励起光源３から出力された光は、集光レンズ２によってビーム径が絞られて、ＶＥＣＳＥＬチップ２０のＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａに入射する。
【0028】
励起光源３によって励起されＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａから放出された光は、ミラー１２と、積層体２５の中のＤＢＲミラー１１Ａの間を往復する。ミラー１２は、光が共振器１３Ａを一往復したときに元の光路に重なる位置に配置されている。共振器１３Ａを構成するミラーの数は２枚に限定されず、２枚以上のミラーを組み合わせて、リング型の共振器を構成してもよい。この場合も、各ミラーは光が共振器を一周したときに元の光路に重なるように配置される。
【0029】
光がミラー１２とＤＢＲミラー１１Ａの間を往復する間、Ｑスイッチ１５により、共振器１３Ａ内のＱ値は高く維持されている。この共振器１３ＡのＱ値は、
Ｑ≡ν／Δν （１）
と定義される。ここで、νは周波数スペクトルの中心周波数、Δνは周波数スペクトルのＦＷＨＭ（半値全幅）である。振動や熱膨張などの外部からの影響が十分小さい時、Δνは、
Δν＝ｈνΘ（１－ＡRT）／４πＴRT 2Ｐintra （２）
と書けることが知られている。ここで、ｈはプランク定数、Θは自然放出光因子（自然放出と誘導放出の発生比）、ＴRTは光が共振器を周回する時間、Ｐintraは共振器内の光パワーである。ＡRTは、Ｑスイッチ１５の光パワーの最大透過率ＡQ MAXを含む、共振器１周分の光減衰の積である。Ｑ値はＡRTが１に近いほど高くなるが、ＡRTはＡQ MAXによって制限される。ＡRTは、ＡQ MAXにその他の光減衰を乗算することで求められるからである。
Ｑ≡ν／Δν （１）
と定義される。ここで、νは周波数スペクトルの中心周波数、Δνは周波数スペクトルのＦＷＨＭ（半値全幅）である。振動や熱膨張などの外部からの影響が十分小さい時、Δνは、
Δν＝ｈνΘ（１－ＡRT）／４πＴRT 2Ｐintra （２）
と書けることが知られている。ここで、ｈはプランク定数、Θは自然放出光因子（自然放出と誘導放出の発生比）、ＴRTは光が共振器を周回する時間、Ｐintraは共振器内の光パワーである。ＡRTは、Ｑスイッチ１５の光パワーの最大透過率ＡQ MAXを含む、共振器１周分の光減衰の積である。Ｑ値はＡRTが１に近いほど高くなるが、ＡRTはＡQ MAXによって制限される。ＡRTは、ＡQ MAXにその他の光減衰を乗算することで求められるからである。
【0030】
共振器１３Ａの内部に、光パワーが所定レベル以上に蓄積されると、Ｑスイッチ１５はＱ値の高い側から低い側に切り替えられて、蓄積された光パワーをいっきに放出する。これによって、垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ａからパルス光が出力される。
【0031】
Ｑスイッチ１５は、光パルスを取り出すとともに、光のパワー透過率ＡQを変化させることにより共振器１３ＡのＱ値を制御することができる。共振器のへの光パワーの閉じ込め効率はＱ値が高いほど向上する。したがって、Ｑスイッチ１５の特性としては、応答速度が速く、光パワーの最大透過率ＡQ
MAXが大きいことが望ましい。ＡQ
MAXが小さいとＡRTも小さくなり、式（１）と式（２）からＱ値を高く設定することができないからである。
【0032】
Ｑスイッチ１５は、機械的なスイッチング素子、音響的なスイッチング素子、電気光学的なスイッチング素子、磁性体のスイッチング素子など、その種類を問わない。機械的Ｑスイッチは、たとえば回動可能なミラーであり、ミラーの角度を機械的に変化させることで、共振器１３Ａの外にパルスを出力する。機械的Ｑスイッチは、高速の応答速度が要求されない用途（ミリ秒程度）に用いられる。最大透過率ＡQ
MAXは、配置によっては９９．９％以上にできる。
【0033】
音響的Ｑスイッチは、パルス出力のタイミングで結晶に超音波を印加して結晶のフォノンを励起し、光を回折させる。応答速度は比較的速いが（数百ナノ秒）、最大透過率ＡQ
MAXは９５％程度となる。
【0034】
電気光学的Ｑスイッチは、たとえば、電気光学結晶と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）の組み合わせで構成される。電気光学結晶に電圧、電流、電気信号などを印加し、電気光学効果を利用して偏光を回転させ、ＰＢＳでいずれか一方の偏光成分を取り出す。応答速度は非常に速く（数ナノ秒）、最大透過率ＡQ
MAXは９９％程度である。
【0035】
あるいは、ミラー１２を反射率可変とすることにより、Ｑスイッチ１５として機能させてもよい。スイッチの応答速度、最大透過率ＡQ
MAX等の特性に応じて、用途に適したＱスイッチ１５を用いることができる。垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ａが電流励起される場合も、同様の動作が行われる。
【0036】
図５Ａ～図５Ｃは、第１実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ａの共振器特性を示す図である。シミュレーションのパラメータは以下のとおりである。
・共振器長は１ｍ（往復２ｍ）、
・ＶＥＣＳＥＬチップ２０のＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａの発光波長は９８０ｎｍ、ゲイン係数は２０００ｃｍ-1、ＤＢＲミラーの反射率は９９．９％、
・共振器の周期利得構造の縦方向の光閉じ込め係数は２．０、
・Ｑスイッチ１５の応答速度１ナノ秒、最大透過率ＡQ MAXは９９％、
・励起光源３は、波長８０８ｎｍ、出力パワー１００ＷのＣＷレーザ、
・ＶＥＣＳＥＬチップ２０の発光面でのスポット径は１００μｍ。
・共振器長は１ｍ（往復２ｍ）、
・ＶＥＣＳＥＬチップ２０のＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａの発光波長は９８０ｎｍ、ゲイン係数は２０００ｃｍ-1、ＤＢＲミラーの反射率は９９．９％、
・共振器の周期利得構造の縦方向の光閉じ込め係数は２．０、
・Ｑスイッチ１５の応答速度１ナノ秒、最大透過率ＡQ MAXは９９％、
・励起光源３は、波長８０８ｎｍ、出力パワー１００ＷのＣＷレーザ、
・ＶＥＣＳＥＬチップ２０の発光面でのスポット径は１００μｍ。
【0037】
図５ＡはＱスイッチのパワー透過率ＡQ、図５Ｂは共振内のパワー、図５Ｃは共振器の出力である。いずれも横軸は時間（ｓ）である。共振器内のパワーがほぼ０の状態から計算を開始する。図５Ａにおいて、パワー透過率ＡQの初期値は最大透過率ＡQ
MAX（ＡQ
MAX＝０．９９）に設定されており、Ｑ値は高く設定されている。時間０で励起を開始する。
【0038】
図５Ｂにおいて、励起光の入射開始と同時に共振器中のパワー（Ｗ）は徐々に上昇する。共振器内パワーが定常値に近づくか、定常値に達したところで（２マイクロ秒またはその近傍）、ＡQ値を約１ナノ秒の時間で０まで下げて、パルス光を取り出す。共振器のＱ値及び共振器内パワーはいっきに低下し、パルス出力が得られる。図５Ｃにおいて、スイッチング直後に、３５００Ｗのパルス出力が得られる。
【0039】
図６Ａ～図６Ｃは、それぞれ図５Ａ～図５Ｃの２マイクロ秒近傍の拡大図である。図５Ａ～図５Ｃに対応して、図６Ａはパワー透過率ＡQ、図６Ｂは共振器内パワー、図６Ｃは共振器出力である。Ｑスイッチ切り替え直後、すなわちＡQ値の切り替え直後に、共振器内のパワーは一気に低下し、共振器から最大３５００Ｗのパルスが出力される。パルス出力は、そこから約７ナノ秒で１／ｅになっている。これは共振器を周回する時間とほぼ一致する。
【0040】
【0041】
＜第２実施形態＞
図７Ａ及び図７Ｃは、第２実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ｂの基本動作を示す。第２実施形態では励起源と別に、注入同期のためのシード光源３１を用いる。注入同期とは、エネルギーの高い自励発振器に、周波数の安定した単一波長の外部光を注入することで、発振出力を外部光に同期させる技術である。注入同期を行うことで、垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ｂの共振器１３Ｂから出力される光パルスの中心波長を制御することができる。
図７Ａ及び図７Ｃは、第２実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ｂの基本動作を示す。第２実施形態では励起源と別に、注入同期のためのシード光源３１を用いる。注入同期とは、エネルギーの高い自励発振器に、周波数の安定した単一波長の外部光を注入することで、発振出力を外部光に同期させる技術である。注入同期を行うことで、垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ｂの共振器１３Ｂから出力される光パルスの中心波長を制御することができる。
【0042】
シード光源３１は、たとえば、単一縦モードのＣＷレーザであり、一例として、所望の周波数にチューニングされた周波数安定なＥＣＤＬ（External Cavity Diode Laser：外部共振器半導体レーザ）である。図７Ａにおいて、シード光源３１から出力される注入同期光は、共振器１３ＢのＱ値がＱスイッチ１５によって高Ｑ値から低Ｑ値に切り替えられる前に、アイソレータ３２を介して共振器１３Ａに入力される。
【0043】
この例では、注入同期光は、共振器１３Ｂを構成するミラー１２Ｂの、ＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａと対向する面と反対側の面から入射する。ミラー１２ＢのＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａと対向する面には、たとえば高反射膜が形成され、ミラー１２ＢのＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａとの対向面と反対側の面には、反射防止膜が形成されている。アイソレータ３２は、注入同期光を一方向にだけ通すように制御し、かつ、共振器１３Ａからの漏れ光がシード光源３１に入射することを防止する。
【0044】
共振器１３Ｂは、例えば、ＶＥＣＳＥＬチップ２０のヒートシンク１６上に形成されたＤＢＲミラー１１Ａと、ミラー１２Ｂによって形成される。ＶＥＣＳＥＬチップ２０の構成は、たとえば第１実施形態で用いたＶＥＣＳＥＬチップ２０と同様であり、図３のようにＤＢＲミラー１１Ａの上部に積層された量子井戸型のＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａを有する。
【0045】
後述するように、共振器１３Ｂの共振器長は、注入同期光の波長の整数倍に設定されている。共振器長を注入同期光の波長の整数倍に維持するために、ミラー１２ＢとＶＥＣＳＥＬチップ２０の少なくとも一方に、共振器長の調整のための駆動メカニズム（たとえばアクチュエータ）が設けられていてもよい。
【0046】
共振器１３Ｂの内部のＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａは、外部からの励起光または注入電流によって励起され、光が放出される。放出された光は、共振器１３Ａの内部を往復し、増幅される。この間、共振器１３ＡのＱ値は高く維持されており、共振器１３Ａはエネルギーの高い自励発振器の状態になっている。
【0047】
Ｑスイッチ１５によって、Ｑ値が低い値に切り替えられる前に注入同期光が注入されると、共振器１３Ａの内部を往復する光の波長が、注入同期光の波長に同期する。
【0048】
図７Ｂにおいて、共振器１３Ｂの内部の光パワーが十分に高くなったところで、Ｑスイッチ１５が低Ｑ値側に切り替えられて、共振器１３Ｂから高パワーの光パルスが出力される。この光パルスの中心波長は、注入同期光の波長に一致している。図７Ａ及び図７Ｂの構成をとることで、安価なＶＥＣＳＥＬチップ２０を用いて、所望の波長に制御された高パワーの光パルスを出力することができる。
【0049】
図８は、垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ｃの構成例である。垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ｃは、互いに対向するミラー１２Ｂと、ＶＥＣＳＥＬチップ２０を有する。ＶＥＣＳＥＬチップ２０のヒートシンク１６上に形成される積層体２５には、図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明したように、ＤＢＲミラー１１Ａと、ＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａがこの順で積層されている。ＤＢＲミラー１１Ａとミラー１２Ｂで共振器１３Ｂが形成される。
【0050】
ＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａは、外部の励起光源３から入射する励起光によって励起される。励起光は、集光レンズ２によってビーム径が絞られてＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａに入射する。光励起によってＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａから放出される光は、共振器１３Ｂによって増幅される。
【0051】
共振器１３Ｂには、Ｑスイッチ１５が設けられている。上述のように、Ｑスイッチ１５は、機械的スイッチ、音響的スイッチ、電気光学的スイッチなど、共振器１３ＡのＱ値を高Ｑ値から低Ｑ値に切り替えることのできる任意の構成を取り得る。あるいは、ミラー１２ＢをＱスイッチ１５として機能させてもよい。
【0052】
垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ｃは、注入同期光を出力するシード光源３１と、共振器１３Ｂに入射する注入同期光の横モードを調整する横モード調整用の光学系７を有する。注入同期光と共振器１３Ｂの共振周波数を一致させる縦モード調整用のフィードバック系８が設けられていてもよい。この場合、たとえばミラー１２Ｂに、共振器１３Ｂの共振周波数をフィードバック制御するためのアクチュエータ１８が設けられていてもよい。
【0053】
横モード調整用の光学系７は、たとえば、レンズ７１、レンズ７２、及びミラー７３を含み、注入同期光が共振器１３Ｂに結合するように、注入同期光の横モードを整形する。横モード調整用の光学系７は、図８の配置例に限定されない。適切な光学素子を適切に配置して、Ｑ値が低Ｑ値側に切り替えられる前に共振器１３Ｂに入射する注入同期光の横モードを調整できる。
【0054】
シード光源３１が単一横モードの場合、光軸と直交する断面での光の強度分布はガウス分布になっている（ＴＥＭ00モード）。この断面のうち水平方向の強度分布（水平横モード）と垂直方向の強度分布（垂直横モード）の双方が、共振器１３Ｂの内部で共振する光の横モード分布と一致していることが望ましい。
【0055】
横モード調整用の光学系７を用いずに、シード光源３１と共振器１３Ｂを適切に設計し適切な位置に配置することで横モードを一致させてもよい。
【0056】
フィードバック系８は、光取り出し用のミラー３７と、光検出器３８と、フィードバック回路３９を含む。光検出器３８は、注入同期光の一部と、共振器１３Ｂを往復する光の一部との干渉光を検出して、電気信号に変換する。フィードバック回路４２は、電気信号からシード光源３１の周波数と共振器１３Ｂの共鳴周波数の差を特定し、その差分がゼロまたは最小になるように、アクチュエータ１８を制御する。
【0057】
アクチュエータ１８は、ミラー１２Ｂの位置を微調整して、共振器長（光が一往復または一周する長さ）を注入同期光の波長の整数倍に設定する。図８の構成例では、注入同期光と共振周波数の差分情報は共振器１３Ｂのアクチュエータ１８にフィードバックされているが、差分情報は、シード光源３１にフィードバックされてもよい。
【0058】
垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ｃの動作特性は、図５Ａ～図５Ｃ、及び図６Ａ～図６Ｃを参照して説明した第１実施形態の特性と同様である。これに加えて、第２実施形態では、低Ｑ値への切り替えによって出力される光パルスの中心波長が所望の波長に制御されている。
【0059】
図９は、図８の変形例である垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ｄの模式図である。垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ｄは、電流励起されることを除いて、図８の垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ｃと基本動作が同じである。
【0060】
ＶＥＣＳＥＬチップ２０に電流源４１が接続されている。ヒートシンク１６の少なくとも一部を導電性材料で形成して電流注入用の電極として用いてもよい。他方の電極は、たとえば積層体２５の表面の光の反復を妨げない位置に設けられてもよい。電流注入により励起されたキャリアの再結合で生成された光がＶＥＣＳＥＬ活性層１４Ａから放出され、共振器１３Ｂの内部を往復して増幅され、共振器１３Ｂ内に光エネルギーが蓄積される。共振器１３Ｂ内に蓄積された光パワーが十分なレベルに達したところで、Ｑスイッチ１５が低Ｑ側に切り替えられ、光パルスが出力される。
【0061】
以上、特定の実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した構成例に限定されない。たとえば、Ｑスイッチ１５が設けられる共振器１３Ｂは、２枚のミラーに限定されず、３枚のミラーを用いた三角リング型の共振器、４枚のミラーを用いたボウタイ型の共振器であってもよい。共振器の少なくとも一部に光ファイバを適用してもよい。図４の垂直外部共振器型面発光レーザ１０Ａを、電流励起型にしてもよい。
【0062】
シード光源と共振器の間の横モード、及び／または縦モードの調整は、図示した例に限定されず、共振器の配置構成に応じて、適切な制御機構を採用し得る。Ｑスイッチ１５の動作としては、あらかじめ共振器内のパワーが定常値に達する時間を観測しておき、その時間間隔でＱスイッチ１５に駆動パルスを印加してもよい。あるいは、共振器を構成するミラーの一部にモニタ用の光検出器を設けて、共振器内の光パワーをモニタしてもよい。
【0063】
第１実施形態と第２実施形態のいずれにおいても、安価、高信頼性、低ノイズ、モード品質が良いなどの良好な特性を備える面発光レーザ媒質を用いて、高パワーのパルスを効率的に出力することができる。実施形態の垂直外部共振器型面発光レーザは、特殊材料の切断、加工、光学測定、光励起など、多様な分野への応用が可能である。
【0064】
この出願は、２０１９年１１月１５日に出願された日本国特許出願第２０１９－２０７１２２号に基づいて、その優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を参照によりここに含む。
【符号の説明】
【0065】
２ 集光レンズ
３ 励起光源
７ 横モード調整用の光学系
８ フィードバック系
１０、１０Ａ、１０Ｂ，１０Ｃ、１０Ｄ 垂直外部共振器型面発光レーザ
１１、１２、１２Ｂ ミラー
１１Ａ ＤＢＲミラー
１３、１３Ａ、１３Ｂ 共振器
１４ 半導体レーザ媒質
１４Ａ ＶＥＣＳＥＬ活性層
１５ Ｑスイッチ
１６ ヒートシンク
１８ アクチュエータ
２０ ＶＥＣＳＥＬチップ
３１ シード光源
３２ アイソレータ
４１ 電流源
３ 励起光源
７ 横モード調整用の光学系
８ フィードバック系
１０、１０Ａ、１０Ｂ，１０Ｃ、１０Ｄ 垂直外部共振器型面発光レーザ
１１、１２、１２Ｂ ミラー
１１Ａ ＤＢＲミラー
１３、１３Ａ、１３Ｂ 共振器
１４ 半導体レーザ媒質
１４Ａ ＶＥＣＳＥＬ活性層
１５ Ｑスイッチ
１６ ヒートシンク
１８ アクチュエータ
２０ ＶＥＣＳＥＬチップ
３１ シード光源
３２ アイソレータ
４１ 電流源
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】