特表 2023-525477 半導体レーザ、ＬＩＤＡＲシステム、および半導体レーザを有するレーザシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-16

(54)【発明の名称】半導体レーザ、ＬＩＤＡＲシステム、および半導体レーザを有するレーザシステム

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/028 20060101AFI20230609BHJP

   H01S 5/10 20210101ALI20230609BHJP

   H01S 5/40 20060101ALI20230609BHJP

【ＦＩ】

H01S5/028

H01S5/10

H01S5/40

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022564266

(86)(22)【出願日】2021-04-21

(85)【翻訳文提出日】2022-10-21

(86)【国際出願番号】 EP2021060440

(87)【国際公開番号】W WO2021214174

(87)【国際公開日】2021-10-28

(31)【優先権主張番号】102020205254.9

(32)【優先日】2020-04-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】599133716

【氏名又は名称】エイエムエス－オスラム インターナショナル ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ａｍｓ－ＯＳＲＡＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｌｅｉｂｎｉｚｓｔｒａｓｓｅ ４， Ｄ－９３０５５ Ｒｅｇｅｎｓｂｕｒｇ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ペーター フクス

(72)【発明者】

【氏名】ブルーノ イェンチュ

(72)【発明者】

【氏名】フーベアト ハルプリッター

(72)【発明者】

【氏名】マーティン ベーリンガー

(72)【発明者】

【氏名】アルバロ ゴメス－イグレシアス

(72)【発明者】

【氏名】クリスティアン ラウアー

(72)【発明者】

【氏名】ディーン マクシミリアン ショーケ

(72)【発明者】

【氏名】トマシュ シフィエトリク

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AB43

5F173AB44

5F173AB50

5F173AB52

5F173AD10

5F173AG03

5F173AL05

5F173AL16

5F173AL19

(57)【要約】

実施形態によれば、半導体レーザ（１０）は、放射生成のための活性ゾーン（１１５）を有する半導体層配列（１１２）を含む。半導体レーザ（１０）は、第１の共振器ミラー（１２５）、第２の共振器ミラー（１３０）、および第１の共振器ミラー（１２５）と第２の共振器ミラー（１３０）との間に配置された光共振器（１３１）をさらに有し、光共振器（１３１）は、半導体層配列（１１２）の主表面（１１１）に対して平行な方向に延在している。第１の共振器ミラーの反射率Ｒ１は、波長依存性であり、したがって、Ｒ１は、またはＲ１と第２の共振器ミラーの反射率Ｒ２との積Ｒは、レーザの目標波長λ_０からλ_０＋Δλまでの波長範囲内において値Ｒ０から減少し、ここで、Δλは、放出波長の温度依存性のシフトに依存して選択される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体レーザ（１０）であって、
当該半導体レーザ（１０）は、
放射生成のための活性ゾーン（１１５）を有する半導体層配列（１１２）、
第１の共振器ミラー（１２５）、第２の共振器ミラー（１３０）、および前記第１の共振器ミラー（１２５）と前記第２の共振器ミラー（１３０）との間に配置された光共振器（１３１）を有し、前記光共振器（１３１）は、前記半導体層配列（１１２）の主表面（１１１）に対して平行な方向に延在しており、
前記第１の共振器ミラー（１２５）の反射率Ｒ１は、波長依存性であり、したがって、前記Ｒ１は、または前記Ｒ１と前記第２の共振器ミラー（１３０）の反射率Ｒ２との積Ｒは、前記レーザの目標波長λ_０からλ_０＋Δλまでの波長範囲内において値Ｒ０から減少し、ここで、Δλは、放出波長の温度依存性のシフトに依存して選択され、
前記Ｒに関して、以下の関係：
（ｉ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλである少なくとも１つの波長λに対して、Ｒ（λ）＜０．３＊Ｒ０；
（ｉｉ）ｋ≦－０．１％であるときのλ＝λ_０に対して、ｄＲ／ｄλ＜ｋ／ｎｍ
のうちの少なくとも１つが成り立つか、または
前記Ｒ１に関して、以下の関係：
（ｉｉｉ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλである少なくとも１つの波長λに対して、Ｒ１（λ）＜０．３＊Ｒ０；
（ｉｖ）ｋ≦－０．１％であるときのλ＝λ_０に対して、ｄＲ１／ｄλ＜ｋ／ｎｍ
のうちの少なくとも１つが成り立つ、
半導体レーザ（１０）。

【請求項2】

前記Ｒまたは前記Ｒ１は、波長がλ_０未満である場合、値Ｒ０まで増加する、
請求項１記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項3】

前記第２の共振器ミラー（１３０）は、波長依存性の反射率を有し、
前記波長依存性の反射率は、波長がλ_０未満である場合、局所的な最大値まで増加する、
請求項１または２記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項4】

ｋ≦－０．２％が成り立つ、
請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項5】

以下の関係：
（ｖ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλに対して、ｄＲ／ｄλ＜－ｇ＊Ｒ（λ）；
（ｖｉ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλに対して、ｄＲ１／ｄλ＜－ｇ＊Ｒ１（λ）／ｎｍ
のうちの少なくとも１つが成り立ち、ただし、ｇ≧０．０３である、
請求項１から４までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項6】

前記半導体レーザの固有損失と、前記第１の共振器ミラーおよび前記第２の共振器ミラーによって引き起こされる、波長λに対するミラー損失との和は、λ_０＜λ＜λ_０＋Δλの範囲内において増加する、
請求項１から５までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項7】

前記半導体レーザの前記固有損失と、前記第１の共振器ミラーおよび前記第２の共振器ミラーによって引き起こされる、波長λに対する前記ミラー損失との和は、λ_０＜λ＜λ_０＋Δλの範囲内において、閉じ込め係数Γ（λ，Ｔ）と波長依存性の利得ｇ（λ，Ｔ）との積に相当する曲線の少なくとも半分だけ急峻である、
請求項６記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項8】

前記半導体レーザの前記固有損失と、前記第１の共振器ミラーおよび前記第２の共振器ミラーによって引き起こされる、波長λに対する前記ミラー損失との和は、λ_０＜λ＜λ_０＋Δλの範囲内において、閉じ込め係数Γ（λ，Ｔ）と波長依存性の利得ｇ（λ，Ｔ）との積に相当する曲線よりも急峻である、
請求項７記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項9】

前記第１の共振器ミラー（１２５）は、ブラッグミラーとして実現されている、
請求項１から８までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項10】

前記ブラッグミラーは、エピタキシャル成長させられた半導体層を有する、
請求項９記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項11】

前記ブラッグミラーの前記半導体層のうちの少なくとも１つの半導体層は、λ_０未満の波長範囲を有する電磁放射を吸収するために適している、
請求項１０記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項12】

前記第１の共振器ミラーの前記反射率Ｒ１または前記積Ｒは、前記目標波長の範囲内において８％未満である、
請求項１から１１までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項13】

前記活性ゾーン（１１５）は、もっぱら単一量子井戸構造を有する、
請求項１から１２までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項14】

前記活性ゾーンは、相互に離調された量子井戸を有する多重量子井戸構造を有する、
請求項１から１２までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項15】

０℃～６０℃の温度範囲内では、レーザ閾値における電荷キャリア密度は、２５％超だけ増加する、
請求項１から１４までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項16】

前記半導体レーザ（１０）の放出波長は、１００℃を上回る温度では、温度に伴って減少する、
請求項１から１５までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項17】

前記半導体レーザ（１０）の放出波長は、６０℃を上回る温度では、温度に伴って減少する、
請求項１６記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項18】

前記半導体層配列（１１２）は、複数のレーザ素子（１２７_１，１２７_２，１２７_３）を有し、
前記複数のレーザ素子（１２７_１，１２７_２，１２７_３）は、上下に重なり合うように配置されており、接続層（１２８_１，１２８_２）を介して相互に接続されている、
請求項１から１７までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項19】

前記半導体層配列の側方の境界は、傾斜させられており、
これにより、生成された電磁放射（１３５）の放出が、前記半導体層配列（１１２）の第１の主表面（１１１）を介して実施されるようになっている、
請求項１から１８までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項20】

請求項１から１９までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）を有する、
ＬＩＤＡＲシステム（１５０）。

【請求項21】

レーザシステム（１６４）であって、
当該レーザシステム（１６４）は、請求項１から１９までのいずれか１項記載の半導体レーザ（１０）と、さらなるレーザ（１６５）とを有し、
前記さらなるレーザ（１６５）は、前記半導体レーザ（１０）によって光ポンピング可能である、
レーザシステム（１６４）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、独国特許出願公開第１０２０２０２０５２５４号明細書の優先権を主張し、その開示内容を参照により本明細書に援用するものとする。

【0002】

ＬＩＤＡＲシステムは、例えば自動運転のための車両においてますます使用されている。例えば、ＬＩＤＡＲシステムは、距離を測定するため、または対象物を認識するために使用される。ＬＩＤＡＲシステムでは、通常、使用される波長に関して狭幅な窓が非常に好適である。なぜなら、その場合には、干渉信号である太陽光を、狭帯域のフィルタを用いて効果的に抑制することができるからである。通常の端面発光型の半導体レーザでは、放出波長が０．２ｎｍ／Ｋを超えて変化するので、温度が変動する場合であっても波長がほとんど変化しないような、すなわち、高い温度安定性が保証されているようなコンセプトが研究される。

【0003】

本発明の基礎となる課題は、改善された半導体レーザおよび改善されたＬＩＤＡＲシステムを提供することである。

【0004】

実施形態によれば、上記の課題は、独立請求項の対象によって解決される。有利な発展形態は、従属請求項において規定されている。

【0005】

実施形態によれば、半導体レーザは、放射生成のための活性ゾーンを有する半導体層配列を含む。半導体レーザは、第１の共振器ミラー、第２の共振器ミラー、および第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーとの間に配置された光共振器をさらに有し、光共振器は、半導体層配列の主表面に対して平行な方向に延在している。第１の共振器ミラーの反射率Ｒ１は、波長依存性であり、したがって、Ｒ１は、またはＲ１と第２の共振器ミラーの反射率Ｒ２との積Ｒは、レーザの目標波長λ_０からλ_０＋Δλまでの波長範囲内において値Ｒ０から減少し、ここで、Δλは、放出波長の温度依存性のシフトに依存して選択される。Ｒに関して、以下の関係：
（ｉ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλである少なくとも１つの波長λに対して、Ｒ（λ）＜０．３＊Ｒ０；
（ｉｉ）ｋ≦－０．１％であるときのλ＝λ_０に対して、ｄＲ／ｄλ＜ｋ／ｎｍ
のうちの少なくとも１つが成り立つ。代替的または同時に、Ｒ１に関して、以下の関係：
（ｉｉｉ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλである少なくとも１つの波長λに対して、Ｒ１（λ）＜０．３＊Ｒ０；
（ｉｖ）ｋ≦－０．１％であるときのλ＝λ_０に対して、ｄＲ１／ｄλ＜ｋ／ｎｍ
のうちの少なくとも１つが成り立つ。

【0006】

さらなる実施形態によれば、ｋは、－０．２％以下または－０．５％以下であってもよい。

【0007】

例えば、Δλは、５ｎｍよりも大きい範囲内にあってよい。例えば、Δλは、１０ｎｍより大きくてよいし、または３０ｎｍより大きくてよい。例えば、Δλは、１００ｎｍ未満、例えば８０ｎｍ未満であってよい。

【0008】

例えば、ＲまたはＲ１は、波長がλ_０未満である場合、値Ｒ０まで増加することができる。

【0009】

さらなる実施形態によれば、第２の共振器ミラーも、波長依存性の反射率を有することができ、波長依存性の反射率は、波長がλ_０未満である場合、局所的な最大値まで増加する。

【0010】

実施形態によれば、半導体レーザにおいて、半導体レーザの固有損失と、第１の共振器ミラーおよび第２の共振器ミラーによって引き起こされる、波長λに対するミラー損失との和は、λ_０＜λ＜λ_０＋Δλの範囲内において増加することができる。

【0011】

例えば、半導体レーザの固有損失と、ミラー損失との和は、閉じ込め係数Γ（λ，Ｔ）と波長依存性の利得ｇ（λ，Ｔ）との積に相当する曲線の少なくとも半分だけ急峻に増加することができる。

【0012】

さらなる実施形態では、半導体レーザの固有損失と、ミラー損失との和は、閉じ込め係数Γ（λ，Ｔ）と波長依存性の利得ｇ（λ，Ｔ）との積に相当する曲線よりも急峻に増加することができる。

【0013】

さらなる実施形態によれば、以下の関係：
（ｖ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλに対して、ｄＲ／ｄλ＜－ｇ＊Ｒ（λ）；
（ｖｉ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλに対して、ｄＲ１／ｄλ＜－ｇ＊Ｒ１（λ）／ｎｍ
のうちの少なくとも１つが成り立つことができ、ただし、ｇ≧０．０３である。

【0014】

例えば、第１の共振器ミラーは、ブラッグミラーとして実現可能である。例えば、ブラッグミラーの個々の層は、ＡｌＯ、ＴａＯ、ＳｉＯ、ＴｉＯ、ＡｌＮ、ＳｉＮ、Ｓｉ、ＮｂＯ、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ａｇ、およびＡｌと、半導体材料としてＩｎＡｌＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＺｎＳｅとを含むことができる。この場合、それぞれの層のシーケンス、組成、および層厚さは、所望の反射率が実現されるように選択される。

【0015】

ブラッグミラーは、エピタキシャル成長させられた半導体層を有することができる。

【0016】

実施形態によれば、ブラッグミラーの半導体層のうちの少なくとも１つの半導体層は、λ_０未満の波長範囲を有する電磁放射を吸収するために適していてよい。

【0017】

例えば、第１の共振器ミラーの反射率Ｒ１または積Ｒは、目標波長の範囲内において８％未満であってよい。

【0018】

実施形態によれば、活性ゾーンは、もっぱら単一量子井戸構造を有する。

【0019】

さらなる実施形態によれば、活性ゾーンは、相互に離調された量子井戸を有する多重量子井戸構造を有する。

【0020】

例えば、０℃～６０℃の温度範囲内では、レーザ閾値における活性ゾーンにおける電荷キャリア密度は、２５％超だけ増加することができる。

【0021】

実施形態によれば、半導体レーザの放出波長は、１００℃を上回る周囲温度では、または６０℃を上回る温度でも、温度に伴って減少する。

【0022】

半導体層配列は、複数のレーザ素子を有することができ、複数のレーザ素子は、上下に重なり合うように配置されており、接続層を介して相互に接続されている。

【0023】

例えば、半導体層配列の側方の境界は、傾斜させられており、これにより、生成された電磁放射の放出が、半導体層配列の第１の主表面を介して実施されるようになっている。

【0024】

ＬＩＤＡＲシステムは、上述したような半導体レーザを含む。

【0025】

さらなる実施形態は、レーザシステムであって、当該レーザシステムは、上述したような半導体レーザと、さらなるレーザとを有し、さらなるレーザは、半導体レーザによって光学的にポンピング可能である、レーザシステムに関する。

【0026】

添付図面は、本発明の実施例を理解するために使用される。図面は、実施例を例示し、明細書とともに実施例を説明するために使用される。さらなる実施例および企図された多数の利点は、以下の詳細な説明から直接的に得られる。図面に図示されている要素および構造は、必ずしも相互に縮尺通りに図示されているわけではない。同一の参照記号は、同一のまたは相互に対応する要素および構造を指す。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1A】実施形態による端面発光型の半導体レーザの要素を示す図である。

【図1B】さらなる実施形態による端面発光型の半導体レーザのコンポーネントを示す図である。

【図1C】実施形態による、主表面を介して放出が実施される半導体レーザの構造を示す図である。

【図1D】さらなる実施形態による、主表面を介して放出が実施される半導体レーザの構造を示す図である。

【図2A】実施形態による共振器ミラーの反射率の波長特性を示す図である。

【図2B】さらなる実施形態による共振器ミラーの反射率の波長特性を示す図である。

【図3A】さらなる実施形態による共振器ミラーの組み合わせられた反射特性を示す図である。

【図3B】さらなる実施形態による共振器ミラーの反射特性を示す図である。

【図3C】さらなる実施形態による共振器ミラーの反射特性を示す図である。

【図3D】実施形態による半導体レーザにおける温度に依存した放出波長の推移を示す図である。

【図4A】さらなる実施形態による共振器ミラーの反射特性を示す図である。

【図4B】さらなる実施形態による半導体レーザの断面図である。

【図4C】さらなる実施形態による半導体レーザの断面図である。

【図5A】さらなる実施形態による共振器ミラーの反射特性を示す図である。

【図5B】さらなる実施形態による共振器ミラーの反射特性を示す図である。

【図5C】さらなる実施形態による共振器ミラーの組み合わせられた反射特性を示す図である。

【図6A】第１の共振器ミラーの種々異なる特性を示す図である。

【図6B】ほぼ一定の反射率を有する共振器ミラーを使用した場合の、種々異なる温度におけるレーザの損失および利得を示す図である。

【図6C】急激に減少する反射率を有する共振器ミラーを使用した場合の、種々異なる温度におけるレーザの損失および利得を示す図である。

【図6D】種々異なる温度および電流強度におけるレーザの損失および利得を示す図である。

【図6E】種々異なる温度および電流強度におけるレーザの損失および利得を示す図である。

【図6F】種々異なる温度および電流強度におけるレーザの損失および利得を示す図である。

【図6G】さらなる実施形態による共振器ミラーの反射特性を示す図である。

【図6H】さらなる実施形態による共振器ミラーの反射特性を示す図である。

【図6I】さらなる実施形態による共振器ミラーの反射特性の組み合わせを示す図である。

【図6K】さらなる実施形態による共振器ミラーの反射特性の組み合わせを示す図である。

【図7A】実施形態による半導体レーザの断面図である。

【図7B】実施形態による第２の共振器ミラーの反射率を示す図である。

【図7C】実施形態による第１の共振器ミラーの反射率を示す図である。

【図7D】実施形態による第１の共振器ミラーの反射率を示す図である。

【図8A】実施形態による種々異なる半導体レーザに関する、レーザ閾値における活性ゾーンにおける電荷キャリア密度を示す図である。

【図8B】実施形態による種々異なる半導体レーザに関する光学利得を示す図である。

【図8C】実施形態による種々異なる半導体レーザに関する微分利得を示す図である。

【図9A】実施形態による種々異なる半導体レーザに関する、温度に伴う放出波長の推移を示す図である。

【図9B】実施形態による種々異なる半導体レーザに関する、温度に伴う反射率の推移を示す図である。

【図9C】実施形態による種々異なる半導体レーザに関する、温度に伴う電力の推移を示す図である。

【図9D】種々異なる半導体レーザの放出波長の温度経過の相違を示す図である。

【図9E】種々異なる半導体レーザに関する、温度に依存した放出強度を示す図である。

【図9F】活性ゾーンの詳細を示す図である。

【図10A】実施形態によるＬＩＤＡＲシステムを示す図である。

【図10B】実施形態によるレーザシステムを示す図である。

【0028】

以下の詳細な説明では、本開示の一部を構成している添付図面が参照され、これらの添付図面には、例示する目的で特定の実施例が示されている。これに関連して、「上側」、「底部」、「前側」、「後側」、「上方」、「上」、「前方」、「後方」、「前」、「後ろ」等のような方向を表す用語は、今から説明する図面の方向性に関連して使用される。実施例のコンポーネントは、種々の向きで配置可能であるので、これらの方向を表す用語は、説明する目的でのみ使用され、決して限定するものではない。

【0029】

その他の実施例も存在し、特許請求の範囲によって規定される範囲から逸脱することなく構造的または論理的な変更を加えることもできるので、実施例の説明は、限定するものではない。とりわけ、以下で説明する実施例の要素は、文脈から別段の指示がない限り、記載されている他の実施例の要素と組み合わせ可能である。

【0030】

本明細書に記載されているレーザは、半導体材料をベースにしている。一般的に、以下の説明で使用される「ウェハ」、「半導体」、または「半導体材料」という用語は、半導体表面を有する任意の半導体に基づく構造体を含むことができる。ウェハおよび構造体は、ドーピングされた半導体およびドーピングされていない半導体と、場合によってはベース基板によって支持されている、エピタキシャル半導体層と、さらなる半導体構造体とを含むと理解されるべきである。例えば、第１の半導体材料からなる層を、第２の半導体材料、例えばＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、もしくはＳｉ基板からなる、または絶縁性材料からなる成長基板上に、例えばサファイア基板上に成長させることができる。

【0031】

使用目的に応じて、半導体は、直接的または間接的な半導体材料をベースにすることができる。電磁放射を生成するために特に適した半導体材料に関する例には、とりわけ、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、Ａｌ－ＧａＩｎＢＮのような紫外光、青色光、または長波光を生成することができる窒化物半導体化合物と、例えばＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＧａＰのような緑色光または長波光を生成することができるリン化物半導体化合物と、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、Ｇａ_２Ｏ_３、ダイヤモンド、六方晶窒化ホウ素のようなさらなる半導体材料と、上記の材料の組み合わせとが含まれる。化合物半導体材料の化学量論比は、変更可能である。半導体材料に関するさらなる例には、シリコン、シリコンゲルマニウム、およびゲルマニウムが含まれ得る。本明細書の文脈における「半導体」という用語は、有機半導体材料も含む。

【0032】

「基板」という用語は、一般に、絶縁性基板、導電性基板、または半導体基板を含む。

【0033】

本明細書で使用されているような「横方向」および「水平方向」という用語は、基板または半導体本体の第１の表面に対して実質的に平行に延在する向きまたは方向性を説明することを意図している。この第１の表面は、例えば、ウェハまたはチップ（ダイ）の表面であってよい。

【0034】

水平方向は、例えば、層が成長する際の成長方向に対して垂直な平面内に位置することができる。

【0035】

本明細書で使用されているような「垂直方向」という用語は、基板または半導体本体の第１の表面に対して実質的に垂直に延在する向きを説明することを意図している。垂直方向は、例えば、層が成長する際の成長方向に相当することができる。

【0036】

図１Ａは、実施形態による半導体レーザ１０のコンポーネントを示す。半導体レーザ１０は、半導体層配列１１２を含む。半導体層配列１１２は、放射生成のための活性ゾーン１１５を有する。半導体レーザ１０は、第１の共振器ミラー１２５、第２の共振器ミラー１３０、および第１の共振器ミラー１２５と第２の共振器ミラー１３０との間に配置された共振器１３１をさらに有する。共振器１３１は、半導体層配列１１２の主表面１１１に対して平行な方向に延在している。以下で説明するように、第１の共振器ミラー１２５は、波長依存性の反射率を有する。この波長依存性の反射率については、より詳細に後述する。第２の共振器ミラー１３０は、例えば第１の共振器ミラー１２５よりも低い反射率を有することができる。第２の共振器ミラー１３０も、波長依存性の反射率を有することができる。生成されたレーザ放射１３５は、第２の共振器ミラー１３０を介して出射することができる。代替的に、第１の共振器ミラー１２５が、第２の共振器ミラー１３０よりも低い反射率を有するようにしてよい。例えば、生成されたレーザ放射１３５は、第１の共振器ミラー１２５を介して出射することができる。

【0037】

半導体層配列１１２は、例えばｐ型である第１の導電型の第１の半導体層１１０と、例えばｎ型である第２の導電型の第２の半導体層１２０とを含む。基板１００と第１の半導体層１１０との間に、さらなる半導体層を配置することができる。例えば、半導体レーザに電圧を印加するために、追加的に電気的なコンタクト要素を設けることができる。さらに、第２の半導体層１２０の上方に、追加的な半導体層および／または絶縁層を配置することができる。

【0038】

基板１００は、絶縁性であってよいし、または半導体材料を有していてよい。半導体層は、例えば基板１００の上方にエピタキシャルに成長可能である。第１の半導体層１１０と第２の半導体層１２０との間には、活性ゾーン１１５を配置することができる。活性ゾーン１１５は、例えば、放射生成のためにｐｎ接合、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：single quantum well）、または多重量子井戸構造（ＭＱＷ：multi quantum well）を有することができる。「量子井戸構造」という用語は、本明細書では量子化の次元に関する意味を含まない。したがって、「量子井戸構造」という用語には、とりわけ量子井戸、量子細線、量子ドット、およびこれらの層の任意の組み合わせが含まれる。

【0039】

活性ゾーン１１５は、光共振器１３１の延在方向に対して垂直に延在する主表面を有する層または積層体によって提供される。一般的に、このような半導体レーザは、端面発光型の半導体レーザと称される。しかしながら、図５Ａ～図７Ｃを参照しながら後述するように、このような形態であっても、半導体層配列１１２の主表面１１１を介して電磁放射を放出することが可能である。

【0040】

図１Ｂに示されている配列では、３つのレーザ素子１２７_１，１２７_２，１２７_３が上下に重なり合うように配置されている。個々のレーザ素子の各々が、第１の半導体層１１０と、第２の半導体層１２０と、活性ゾーン１１５とを有する。この場合にも、第１の半導体層は、それぞれ第１の導電型であってよく、第２の半導体層１２０は、それぞれ第２の導電型であってよい。個々のレーザ素子１２７_１，１２７_２，および１２７_３は、それぞれ接続層１２８_１，１２８_２を介して相互に接続されている。接続層１２８_１，１２８_２は、電気的な接続が可能となるようにそれぞれトンネル接合部であってよい。３つより多くのレーザ素子１２７_１，１２７_２，および１２７_３を積層させてもよいことは自明である。

【0041】

一般的に、本願の枠内における「トンネル接合部」という用語は、第１の導電型および第２の導電型の非常に高濃度にドーピングされた半導体層のシーケンスを含む。例えば、第１の導電型の第１の高濃度ドーピング層を、レーザ素子１２７_１，１２７_２，１２７_３の第１の導電型の第１の半導体層１１０に隣接してコンタクトするように配置することができる。さらに、第２の導電型の第２の高濃度ドーピング層を、レーザ素子１２７_１，１２７_２，１２７_３の第２の導電型の第２の半導体層１２０に隣接してコンタクトするように配置することができる。オプションとして、これらの高濃度ドーピング層の間に、追加的に中間層を配置することができる。第１および第２の導電型の非常に高濃度にドーピングされた層のシーケンスと、オプションの中間層とは、トンネルダイオードである。このトンネルダイオードを使用して、それぞれのレーザ素子１２７_１，１２７_２，および１２７_３を直列に接続することができる。

【0042】

図１Ａのように、ここでも第１の共振器ミラー１２５および第２の共振器ミラー１３０が設けられている。図１Ａと同様に、第１の共振器ミラー１２５は、特別な波長依存性の反射率を有する。生成された電磁放射１３５は、第２の共振器ミラー１３０を介して出射することができる。さらなる実施形態によれば、第２の共振器ミラー１３０が、第１の共振器ミラーよりも高い反射率を有するようにしてもよい。例えば、生成された電磁放射１３５は、第１の共振器ミラー１２５を介して出射することができる。さらなる実施形態によれば、追加的に、第２の共振器ミラー１３０は、特別な波長依存性の反射率を有することができる。

【0043】

本願の枠内で説明されるコンセプトは、以下のような半導体レーザにも適用可能であり、すなわち、光共振器１３１の少なくとも一部が半導体層配列１１２の主表面１１１に対して平行な方向に延在しているが、放射１３５の放出が半導体層配列１１２の第１の主表面１１１を介して実施されるような、半導体レーザにも適用可能である。

【0044】

図１Ｃは、実施形態による、主表面１１１に対して平行に延在する光共振器１３１を有する表面発光型の半導体レーザを示す。図１Ｃに示されているように、半導体層配列１１２の端面は、４５°の角度でエッチングされている。斜めにエッチングされた側縁部に隣接して、誘電層１３８を被着させることができる。さらなる実施形態によれば、誘電性の支持体基板１００を、斜めにエッチングされた側縁部に直接的に隣接させることもできる。半導体層配列１１２の半導体材料と誘電層１３８との間の屈折率差に基づいて、これらの側縁部においてそれぞれ全反射が行われる。結果として、半導体層配列１１２の斜めの縁部が、反射性の側縁部１３７として作用する。

【0045】

第１の共振器ミラー１２５および第２の共振器ミラー１３０は、それぞれ半導体層配列１１２の第１の主表面１１１の上方に配置されている。

【0046】

生成されたレーザ光は、それぞれ第１の共振器ミラー１２５および第２の共振器ミラー１３０によって、活性ゾーン１１５を有する半導体層配列へと反射される。図１Ｃでは、複数のレーザ素子１２７_１，１２７_２，および１２７_３が上下に重なり合うように積層されており、接続層１２８_１，１２８_２を介して相互に接続されている。これらの接続層は、ここでもトンネル接合部であってよい。支持体基板１００は、半導体層配列の形状に応じて構造化されている。第２の共振器ミラー１３０は、例えば第１の共振器ミラー１２５よりも低い反射率を有する。相応して、生成された電磁放射１３５は、第２の共振器ミラー１３０の位置において第１の主表面１１１を介して出射される。

【0047】

例えば、第１の半導体層１１０および第２の半導体層１２０の材料と、活性ゾーンの材料とは、ＡｌＧａＡｓ材料系またはＧａＡｓ材料系をベースにすることができ、ＡｌＧａＡｓ半導体層またはＧａＡｓ半導体層を含むことができる。この場合には、接続層１２８_１，１２８_２は、高濃度ドーピングされたＡｌＧａＡｓ：Ｔｅ／Ｃを含むトンネル接合部を有することができる。例えば、トンネル接合部は、テルルもしくは炭素がドーピングされたＡｌＧａＡｓ、またはテルルもしくは炭素がドーピングされたＧａＡｓを含むことができる。トンネル接合部の層厚さは、例えばλ／２未満であってよく、ここで、λは、対応する伝播媒体における有効な波長に相当する。

【0048】

図１Ｄに示されている実施形態によれば、第１の共振器ミラー１２５が、第２の共振器ミラー１３０よりも低い反射率を有するようにしてもよい。生成された電磁放射１３５を、第１の共振器ミラー１２５の位置において第１の主表面１１１を介して放出させることができる。図１Ｄの半導体レーザのさらなるコンポーネントは、図１Ｃを参照しながら説明したコンポーネントと同様または同一である。

【0049】

本開示の枠内で説明される半導体レーザは、一般的に、例えばＡｌＧａＡｓ材料系、ＩｎＡｌＧａＡｓＰ材料系、またはＩｎＡｌＧａＮ材料系をベースにすることができる。

【0050】

一般的に、半導体レーザダイオードでは、電流の流れによって電荷キャリアペアが活性ゾーンに注入される。電流が増加するにつれて活性ゾーンにおける電荷キャリア密度が増加し、これに伴って今度は、レーザダイオードの共振器において循環するレーザ光に関する光増幅のスペクトルの最大値が増加する。利得スペクトルの最大値におけるモデルによる光学利得（Γ＊ｇ_ｐｅａｋ）によって内部損失α_ｉおよびミラー損失α_ｍが補償される場合、すなわち、Γ＊ｇ_{ｐｅａｋ，ｔｈ}＝α_ｉ＋α_ｍである場合に、レーザ閾値に到達する。

【0051】

これに対応する注入電流は、閾値電流である。電流がレーザ閾値を上回っている場合には、活性ゾーンの温度が一定であれば、電荷キャリア密度は、強力な刺激された再結合に起因してそこでほぼ一定に維持される。しかしながら、レーザダイオードの温度は、周囲温度が上昇する場合、電流が増加してもレーザの損失出力に起因して上昇する。通常、光学利得は、キャリア密度が所与の場合、温度に伴って減少し、これにより、レーザ閾値（閾値電流、閾値キャリア密度）は、温度が上昇するにつれて上昇する。

【0052】

温度上昇およびキャリア密度の上昇により、通常、電荷キャリアの相互作用の強化と、半導体結晶の格子定数の変化とによって引き起こされる半導体のバンドギャップの減少が生じる。これにより、利得最大値のスペクトル位置、ひいては放出波長が、より長い波長へとシフトする。

【0053】

この場合、温度に伴う放出波長のシフトの程度は、放出波長または光子エネルギに依存している。例えば、温度に伴うバンドギャップまたは放出波長の変化について、以下の関係：ｄＥｇ／ｄＴ＝－０．４ｍｅＶ／Ｋが成り立つ。これにより、Ｅ＝ｈｃ／λにより、ｄλ／ｄＴ＝－λ^２／ｈｃ＊ｄＥｇ／ｄＴが得られる。

【0054】

材料系は、達成されるべき放出波長に応じて選択される。相応に、温度に伴う放出波長のシフトと、使用されている材料系との間には関連性が見られる。この関連性は、９００～１０００ｎｍの範囲内の放出波長の場合、約０．２５～０．３２ｎｍ／Ｋである。通常、このような放出波長のためには、ＡｌＧａＩｎＡｓ材料系が使用される。約４００ｎｍの波長の場合、放出波長のシフトの程度は、０．０５ｎｍ／Ｋである。通常、このような放出波長のためには、ＩｎＡｌＧａＮ材料系が使用される。約１２５０ｎｍの波長の場合、放出波長のシフトの程度は、０．５ｎｍ／Ｋである。通常、この波長のためには、ＩｎＡｌＧａＡｓＰ材料系が使用される。

【0055】

図２Ａは、第１の共振器ミラー１２５の波長依存性の反射率Ｒ１を概略的に示す。図２Ａに示されているように、反射率Ｒ１は、目標波長λ_０からλ_０＋Δλまでの波長範囲内において値Ｒ０から減少する。λ_０は、半導体レーザの目標波長を表し、Δλは、考察される温度変動にわたる波長の変化についての尺度である。例えば、半導体レーザの目標波長が、Ｔ_１、例えば２０℃での放出波長に位置しており、かつ半導体レーザが、Ｔ_１（２０℃）からＴ_２、例えば６０℃までの温度範囲内において一定の波長のレーザ光を放出することが意図されている場合、λ_０は、Ｔ_１（２０℃）での波長に相当する。Δλは、Ｔ_２（６０℃）での放出波長と、Ｔ_１（２０℃）での放出波長との間の差に相当する。さらに、反射率Ｒ１（λ）に関して、以下の両方の関係：
（ｉｉｉ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλに対して、Ｒ１（λ）＜０．３＊Ｒ０；
（ｉｖ）ｋ≦－０．１％であるときのλ＝λ_０に対して、ｄＲ１／ｄλ＜ｋ／ｎｍ
のうちの少なくとも１つが成り立つ。

【0056】

さらなる実施形態によれば、ｋは、－０．２％以下または－０．５％以下であってよい。

【0057】

図２Ａでは、例えば、関係（ｉｖ）が実現されており、すなわち、反射率Ｒ１は、λ_０において急峻に減少する。

【0058】

例えば、λ_０の付近の範囲内におけるλ_０未満の波長に対する反射率は、ほぼ一定であってよい。実施形態によれば、反射率Ｒ０＝Ｒ１（λ_０）は、局所的な最大値を表すことができる。さらなる実施形態によれば、Ｒ０＝Ｒ１（λ_０）は、鞍点であってもよいし、または反射率Ｒ１の推移の任意の点であってもよく、例えば、反射率Ｒ１の下降エッジに位置していてもよい。

【0059】

実施形態によれば、第１の共振器ミラーは、図２Ｂに示されている反射率を有することもできる。例えば、波長依存性の反射率は、まず始めに増加し、その後、再び減少することができる。より正確に言えば、波長依存性の反射率は、図２Ａに示されている反射率とは異なり、波長λ_０まで一定ではなく、まず始めに最大値Ｒ０まで増加する。反射率Ｒ１が局所的な最大値を有しているところの波長λは、レーザの目標波長λ_０に相当する。λ_０よりも長い波長に対しては、共振器ミラーの反射率は、その局所的な最大値Ｒ_ｍａｘから減少する。

【0060】

さらにより詳細に後述するように、共振器ミラーの反射率が狭義単調減少することは必須ではない。例えば、レーザの放出波長は、温度が上昇する場合、放出波長に依存して０．３ｎｍ／Ｋのレートでシフトする。このことは、図２Ａにおいてｖ_０が付された矢印によって示されている。目標波長、すなわちレーザによって達成されるべき波長は、図２Ａおよび図２Ｂではλ_０によって示されている。この目標波長は、理想的には、反射率Ｒ１が折れ曲がりを有しているところの波長に相当する。例えば、Ｒ０は、１０％より大きくてよい。例えば、Ｒ０は、３０％より大きくてよいし、または４０％より大きくてよい。

【0061】

図２Ａの場合には、例えば比較的長い波長における反射率が減少することにより、比較的長い波長を有する電磁放射に対して対応するモードが抑制され、これにより、λ_０におけるモードが最も強化されることとなる。このようにして、レーザの温度安定性を保証することができる。

【0062】

同様にして図２Ｂによれば、λ_０未満の波長に対する反射率は、波長に伴って増加することができる。反射率のこの実施形態においても、とりわけ、放出波長の安定化が実施されるような、最大の反射率を有するレーザモードが好ましい。図２Ｂに示されている特別な特性に基づいて、温度および波長の温度ドリフトが増大しているにもかかわらず、放出波長を安定化させることができる。

【0063】

図２Ａおよび図２Ｂに示されているように、第１のミラーの反射率は、その最大値Ｒ０から所定の急峻度で線形に減少することができる。さらなる実施形態によれば、反射率は、非線形に減少してもよい。このことを、とりわけ図３Ｃおよび図３Ｄにおいてさらに詳細に説明する。このようにして、反射率の制限が引き起こされ、この制限により、この波長において、レーザ放射を生成するための閾値が増大される。

【0064】

実施形態によれば、図２Ａおよび図２Ｂに示されている反射率は、第１の共振器ミラー１２５の反射率であってよい。さらなる実施形態によれば、図２Ａおよび図２Ｂに示されている反射率は、組み合わせられた反射率であってもよく、第１の共振器ミラー１２５の反射率Ｒ１と第２の共振器ミラー１３０の反射率Ｒ２との積に相当することができる。

【0065】

図３Ａには、さらなる実施形態が示されており、ここでは、例えば、第１の共振器ミラーは、第１の局所的な最大値まで増加する反射率Ｒ１を有し、第２の共振器ミラーは、まず始めに一定であって後に減少する反射率を有する。図３Ａの一番上側の図面は、波長に依存した第１の共振器ミラー１２５の反射率Ｒ１の推移を示す。反射率は、まず始めに増加し、したがって、λ_３ではまだ最大値に到達していない。λ_４では、反射率の最大値に到達している。λ_４よりも長い波長に対しては、反射率は一定である。

【0066】

図３Ａの真ん中側の図面の部分は、波長に依存した第２の共振器ミラーの反射率Ｒ２の推移を示す。ここでは、反射率は、まず始めに一定であり、λ_３とλ_４との間の波長において減少する。反射率は、両方の共振器ミラーに関して、第１の反射率および第２の反射率がそれぞれ局所的な最大値を有しているλ_３とλ_４との間の範囲が相互にオーバーラップするようにそれぞれ構成されている。

【0067】

結果として、システム全体に関して、図３Ａの一番下側の図面の部分に示されている反射率が得られる。第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーとの組み合わせの反射率Ｒは、目標波長λ_０において反射率Ｒ０の最大値が存在するように構成されている。このようにして、図２Ｂを参照しながら説明した手法と同様に、半導体レーザの波長が安定化される。第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーとの組み合わせの反射率Ｒは、第１の共振器ミラー１２５の反射率Ｒ１と、第２の共振器ミラー１３０の第２の反射率Ｒ２との積に相当する。第１の共振器ミラー１２５または第２の共振器ミラー１３０は、それぞれ出射ミラーであってよい。

【0068】

図３Ｂは、さらなる実施形態による半導体レーザ１０における第１の共振器ミラー１２５の反射率の一例を示す。見て取れるように、反射率は、９１０～９２５ｎｍの間の局所的な最大値から９４０～９５０ｎｍの間の最小値まで局所的に急激に減少する。このようにして、半導体レーザの放出波長が、９１０～９２５ｎｍの間の範囲内において安定化される。考察されている範囲内における反射率は、１％未満である。したがって、第１の共振器ミラー１２５は、ここでは出射ミラーである。さらに図３Ｂにおいて見て取れるように、例えば１０００ｎｍまたは８５０ｎｍに対する第１の共振器ミラーの反射率は、９１０～９２５ｎｍの間の波長範囲内における反射率よりも高い。しかしながら、利得の最大値は、考察されている温度範囲内では９００～９５０ｎｍの間の波長範囲内に位置しているので、この波長範囲外に位置する比較的高い反射率は、半導体レーザの放出波長には影響を及ぼさない。この波長依存性の利得と反射率との関連性については、より詳細に後述する。

【0069】

図３Ｃは、さらなる実施形態による共振器ミラーの反射特性を示す。ここでは、図示されている反射特性は、第１の共振器ミラーの反射率であってよいし、または共振器の内部の両方の共振器ミラーの組み合わせられた反射率であってもよい。例えば、反射率は、両方の共振器ミラーの反射率の積であってよく、すなわち、Ｒ＝Ｒ_１またはＲ＝Ｒ_１＊Ｒ_２であってよい。目標波長に関しては、この波長の後における反射率Ｒの導関数が０未満であること、すなわち、目標波長よりも大きい波長に対する反射率が少なくとも一時的に減少することが当てはまる。反射率は、とりわけ目標波長λ_０から波長λ_０＋Δλまでの範囲内において減少する。例えば、Ｒ（λ_０）＞Ｒ（λ_０＋Δλ）が成り立つ。この場合、Δλは、使用される材料系に依存している。例えば、ＧａＡｓ材料系の場合、Δλは、２０ｎｍまたは３０ｎｍであってよい。上述したように、反射率が狭義単調減少することは必須ではない。

【0070】

例えば、目標波長の範囲内における接線の傾き、すなわちｄＲ／ｄλ（λ_０）は、＜－０．０３／ｎｍであってよく、つまり、下り勾配は、３％よりも大きくてよい。さらなる実施形態によれば、
ｄＲ／ｄλ（λ_０）＜－０．０５／ｎｍまたはｄＲ／ｄλ（λ_０）＜－０．０７／ｎｍ
が成り立つ。

【0071】

すなわち、下り勾配は、５％よりも大きくてよいか、またはそれどころか７％よりも大きくてよい。

【0072】

さらに、λ_０からλ_０＋Δλまでの範囲内における反射率の推移は、Ｒに関する以下の２つの推移
ａ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλに対して、Ｒ（λ）＜０．３＊Ｒ０、
ｂ）λ＝λ_０に対して、ｄＲ／ｄλ＜－ｇ＊Ｒ（λ）／ｎｍ、
のうちの１つを下回ることができ、ただし、ｇ≧０．０３、例えばｇ≧０．０５またはｇ≧０．０７である。

【0073】

例えば、図３Ｃでは、組み合わせられた反射率Ｒ＝Ｒ１＊Ｒ２またはＲ＝Ｒ１も考察することができ、Ｒ０は、８％よりも大きくてよく、例えば１０％以上であってよい。

【0074】

図３Ｃには、反射率のこれらの上限ａ），ｂ）が、種々異なるｇの値に対する波長依存性の反射率の推移に関する例として示されている。

【0075】

一般的に、目標波長における非常に急激な下り勾配は、温度安定性に対して非常に好適に作用する。位置λ＝λ_０において跳躍関数または階段関数に可能な限り顕著に近似されている反射率の推移によって、放出波長の大きな温度安定性がもたらされる。このようにして、反射、ひいてはλ_０よりも長い波長を有する光の伝搬が、顕著に抑制される。結果として、波長を特に効果的に安定化させることができる。

【0076】

図示のように、目標波長λ_０＋Δλの付近で考察される波長範囲は、目標波長に依存している。より正確に言えば、それぞれの材料系ごとに材料パラメータとして、温度に依存した波長シフトが増幅度の基礎とされ、これにより、例えば８０Ｋの温度差を仮定した場合の、放出波長の最大の波長シフトを得ることができる。次いで、ここからΔλを特定することができる。

【0077】

例えば赤色範囲から近赤外範囲まで発光するレーザダイオードでは、端面発光型の半導体レーザの場合、例えば約０．３ｎｍ／Ｋの波長シフトが基礎とされる。相応して、８０Ｋの温度変化は、２４ｎｍの波長シフトをもたらし、したがって、Δλは、２０～３０ｎｍの範囲内にある。例えば、これらのレーザダイオードは、ＡｌＧａＩｎＡｓ材料系をベースにすることができる。

【0078】

緑色波長範囲または青色波長範囲で発光するレーザダイオードでは、端面発光型の半導体レーザの場合、０．０５ｎｍ／Ｋの波長シフトが基礎とされる。相応して、８０Ｋの温度変化は、４ｎｍの波長シフトをもたらす。ここでは、Δλは、５～１０ｎｍの範囲内にあってよい。例えば、これらのレーザダイオードは、ＩｎＧａＮ材料系をベースにすることができる。

【0079】

近赤外範囲から中赤外範囲まで、例えば約１５５０ｎｍまで発光するレーザダイオードでは、端面発光型の半導体レーザの場合、０．５ｎｍ／Ｋの波長シフトが基礎とされる。相応して、８０Ｋの温度シフトは、４０ｎｍの波長シフトをもたらす。ここでは、Δλは、４０～５０ｎｍの範囲内にあってよい。例えば、これらのレーザダイオードは、ＩｎＰ材料系をベースにすることができる。

【0080】

図３Ｄは、温度に依存した放出波長の推移を示す。ここで図示されているように、ｇの値が特に大きい場合、すなわちλ＝λ_０の位置における下り勾配が特に急激である場合には、温度に伴う放出波長の変動が比較的小さくなる。

【0081】

実施形態によれば、波長依存性の反射率を有するミラーは、多数の薄い誘電層または半導体層を有するブラッグミラーによって実現可能である。

【0082】

一般的に、「ブラッグミラー」という用語は、入射してきた電磁放射を反射し、かつ誘電層または半導体層を有する任意の配列を含む。ブラッグミラーは、誘電層または半導体層から構成可能である。さらなる実施形態によれば、ブラッグミラーは、追加的な金属層を有することができる。例えば、ブラッグミラーは、それぞれ異なる屈折率を有する複数の非常に薄い誘電層または半導体層のシーケンスによって構成可能である。誘電層と半導体層との混合物も可能である。例えば、これらの層は、高い屈折率（例えば、ｎ＞１．７）と、低い屈折率（例えば、ｎ＜１．７）とを交互に有することができる。例えば、１つの層ペアの層厚さを、λ／４とすることができ、ここで、λは、それぞれの媒体中における反射されるべき光の波長を示す。入射光から最初に見える層は、比較的大きな層厚さ、例えば３λ／４を有することができる。ブラッグミラーは、わずかな層厚さと、それぞれの屈折率差とに基づいて、波長依存性の高い反射率を提供する。ブラッグミラーは、例えば２～５０個の誘電層または半導体層を有することができる。個々の層の典型的な層厚さは、約３０～９０ｎｍ、例えば約５０ｎｍであってよい。積層体は、約１８０ｎｍよりも厚い、例えば２００ｎｍよりも厚い１つまたは２つ以上の層をさらに含むことができる。

【0083】

さらなる実施形態によれば、ブラッグミラーの層は、エピタキシャル半導体層によっても、場合によっては追加的な金属層によっても実現可能である。

【0084】

波長依存性の反射率を有する共振器ミラーの材料は、例えば、ＡｌＯ、ＴａＯ、ＳｉＯ、ＴｉＯ、ＡｌＮ、ＳｉＮ、Ｓｉ、ＮｂＯ、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ａｇ、およびＡｌと、半導体材料としてＩｎＡｌＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＺｎＳｅとを含むことができる。この場合、それぞれの層のシーケンス、組成、および層厚さは、所望の反射率が実現されるように選択される。

【0085】

実施形態によれば、第２の共振器ミラー１３０もブラッグミラーとして実現可能である。第２の共振器ミラーの個々の層の組成、シーケンス、および層厚さを、第２の共振器ミラーも波長依存性の反射率を有するように選択することができる。さらなる実施形態によれば、第２の共振器ミラーの個々の層の組成、シーケンス、および層厚さを、第２の共振器ミラーが波長依存性の反射率を有さないように選択することもできる。

【0086】

上述したように、第１の共振器ミラーの反射率と、場合によっては第２の共振器ミラーの反射率とを特別に構成することによって、放出波長の温度安定性の改善を達成することができる。例えば、反射率が所定の波長範囲内において急激に減少することは、有用であろう。

【0087】

図４Ａは、第１の共振器ミラー１２５の反射率と第２の共振器ミラー１３０の反射率との積に相当することができる組み合わせられた反射率Ｒの推移の概略図を示す。第２の共振器ミラーの反射率が実質的に一定であると仮定すると、組み合わせられた反射率Ｒは、第１の共振器ミラーの反射率に相当することもできる。見て取れるように、反射率は、波長λ_５において急激に増加し、波長λ_６において急激に減少する。波長λ_６における反射率の急激な減少は、例えば、第１の共振器ミラーをブラッグミラーとして相応に構成することによって引き起こすことができる。

【0088】

実施形態によれば、第１の共振器ミラー１２５は、ブラッグミラーとして構成可能であり、エピタキシャル成長させられた少なくとも１つの半導体層を有することができる。

【0089】

この半導体層は、半導体レーザの目標波長λ_０未満の波長範囲を有する電磁放射を吸収するために適していてよい。したがって、半導体層は、吸収層１２９であってよい。このようにして、比較的短い波長の側における反射率の急峻なエッジを実現することができる。

【0090】

図４Ｂは、水平方向の共振器を有する半導体レーザ１０の概略断面図を示す。半導体レーザ１０では、生成された電磁放射１３５の放出が半導体層配列の第１の主表面１１１を介して実施される。見て取れるように、第１の共振器ミラー１２５は、ブラッグミラーとして構成されており、ブラッグミラーは、エピタキシャル成長させられた半導体層を有する少なくとも１つの吸収層１２９を含む。第１の共振器ミラー１２５は、複数の吸収層１２９を含むことができる。これらの吸収層１２９は、同一のまたはそれぞれ異なる半導体材料を含むことができる。第２の共振器ミラー１３０は、同じようにまたは異なるように構成可能である。生成された電磁放射１３５は、第１の共振器ミラー１２５または第２の共振器ミラー１３０を介して出射することができる。

【0091】

図４Ｃは、生成された電磁放射１３５の放出が半導体層配列１１２の側面１１６を介して実施されるような、半導体レーザ１０の一例を示す。この場合にも、第１の共振器ミラー１２５と、場合によっては第２の共振器ミラー１３０とをブラッグミラーとして構成することができる。第１の共振器ミラー１２５と、場合によっては第２の共振器ミラー１３０とは、エピタキシャル成長させられた半導体層を有する吸収層１２９をさらに含むことができる。第１の共振器ミラー１２５は、複数の吸収層１２９を含むことができる。これらの吸収層１２９は、同一のまたはそれぞれ異なる半導体材料を含むことができる。第２の共振器ミラー１３０は、同じようにまたは異なるように構成可能である。生成された電磁放射１３５は、第１の共振器ミラー１２５または第２の共振器ミラー１３０を介して出射することができる。

【0092】

記載されている実施形態では、吸収層１２９の半導体材料は、例えばＡｌＧａＩｎＰ材料系またはＡｌＩｎＧａＡｓ材料系のＩＩＩ－Ｖ族半導体材料を含むことができる。組成比を調整することによってバンドギャップ、ひいては吸収される波長範囲を調整することができる。さらなる実施形態によれば、吸収層１２９は、ＧａＳｂを含むこともできる。吸収層は、量子井戸層として、例えば単一量子井戸層または多重量子井戸層として構成可能である。さらなる実施形態では、吸収層１２９は、バルク半導体材料を含むこともできる。例えば、ブラッグミラーのそれぞれ１つおきの層は、半導体材料を含むことができ、吸収層１２９として実現可能である。例えば、ブラッグミラーのうちの、半導体層配列１１２の側に配置されている層は、吸収層１２９であってよい。記載されている実施形態によれば、半導体層は、ドーピングされていても、またはドーピングされていなくてもよい。実施形態によれば、ブラッグミラーは、ドーピングされた半導体層も、ドーピングされていない半導体層も含むことができる。例えば、半導体層をドーピングすることにより、半導体層の屈折率をさらに変化させることができ、これにより、それぞれの半導体層の屈折率差を、達成されるべきブラッグミラーの特性に応じて調整することができる。実施形態によれば、吸収層の層厚さは、約λ_０／４に相当することができ、ここで、λ_０は、半導体レーザの目標波長に相当することができる。さらなる実施形態によれば、吸収層の層厚さは、（λ_０－Δλ）／４から（λ_０＋Δλ）／４までの範囲内にあってよく、ここで、Δλは、考察される温度範囲内における放出波長の変化に相当することができる。

【0093】

さらなる実施形態によれば、第１の共振器ミラー１２５を、吸収層１２９を有さない特別な反射挙動を有するブラッグミラーとして構成することができる。さらに、第２の共振器ミラー１３０は、ブラッグミラーとして構成可能であり、吸収層１２９を含むことができる。この場合には、第２の共振器ミラー１３０も同様に波長依存性の反射率を示すという効果を得ることができる。しかしながら、吸収層１２９の存在により、放射のうちの反射されない部分が、例えば半導体レーザのハウジングにおいて吸収されずに、第２の共振器ミラー１３０によって吸収されることとなる。

【0094】

図５Ａは、波長に依存した共振器ミラーの反射率の一例を示す。見て取れるように、波長範囲１６１が存在しており、この波長範囲１６１内では、対応する半導体レーザのレーザ動作が可能となるほど、反射率が大きくなっている。共振器ミラーは、９つのブラッグ・ペアと、隣り合う層のための３．５～３．０の屈折率を有する誘電性材料とを有するブラッグミラーとして構成されている。

【0095】

図５Ｂは、ブラッグミラーとして構成されており、かつ上述したような吸収層１２９を有する共振器ミラーの反射率の一例を示す。ここで、半導体レーザにおいて、図５Ａに示されている反射率を有する共振器ミラーが、図５Ｂに示されている反射率を有する共振器ミラーと組み合わせられた場合には、図５Ｃに示されている反射率が得られる。

【0096】

見て取れるように、λ_３未満の波長の電磁放射が吸収される。結果として、レーザ動作のための反射率が十分である比較的小さな波長範囲を有する反射率が得られる。結果として、半導体レーザの放出波長を、特に効果的に制限することができる。

【0097】

結果として、狭幅で非常に限局された波長依存性の反射率を実現することができる。これにより、所定の波長範囲内におけるレーザ動作を達成することができる。

【0098】

上述したように、波長依存性の反射率を有する共振器ミラーを用いて、半導体レーザを安定的に目標波長に調整することが可能である。

【0099】

以下で説明するように、同一の反射率の第１の共振器ミラーを有する種々異なる半導体レーザは、利得スペクトルと反射率との間の種々異なる相互作用に起因する種々異なる結果をもたらす可能性がある。

【0100】

一般的には、レーザ放出波長λ_ｌａｓｅを有するレーザ閾値に関して、以下の条件：
Γ（λ_ｌａｓｅ，Ｔ）＊ｇ（λ_ｌａｓｅ，Ｔ）（ｔｈ）＝α_ｉ（λ_ｌａｓｅ，Ｔ）＋α_ｍ（λ_ｌａｓｅ，Ｔ）
が成り立つ。ここで、ｇ（ｔｈ）は、レーザ閾値での材料利得を表し、Γは、閉じ込め係数を表し、α_ｉは、固有損失を表し、α_ｍは、α_ｍ＝（１／２Ｌ）ｌｎ（１／Ｒ１（λ）Ｒ２（λ））によるミラー損失を表す。

【0101】

損失曲線も、場合によっては温度依存性である。しかしながら、この変化は、基本的に比較的わずかであるので、以下の説明では無視される。

【0102】

図６Ａは、波長にわずかな程度しか依存しない共振器ミラーの反射率を、曲線（１）に示す。曲線（２）は、波長が増加するにつれて急激に減少する共振器ミラーの反射率を示す。

【0103】

図６Ｂは、図６Ａに（１）で示されている反射率を有するレーザの損失を、実線で示す。この反射率は、波長が増加するにつれてわずかにしか減少しないので、損失は、波長が増大するにつれてわずかにしか増加しない。

【0104】

破線により、種々異なる温度についての、かつほぼ不変の電流強度についての積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）が示されている。温度が上昇するにつれて、利得曲線は、利得ピークと一緒により長い波長へとシフトする。レーザ閾値において、積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）は、値α_ｉ＋α_ｍを取る。

【0105】

図６Ｂの曲線（１）～（３）は、それぞれ増加する温度についての積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）を示す。図示の曲線では、それぞれ異なる波長ごとにレーザ条件に到達する。見て取れるように、放出波長は、温度が上昇するにつれて顕著にシフトする。

【0106】

図６Ｃは、図６Ａに（２）で示されている反射率を有するレーザの損失を、実線で示す。この反射率は、波長が増加するにつれて非常に急激に減少するので、損失は、波長が増加するにつれて非常に急激に増加する。

【0107】

破線により、種々異なる温度および電流（すなわち、電荷キャリア密度）についての積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）が示されている。温度が上昇するにつれて、利得曲線は、利得ピークと一緒により長い波長へとシフトする。レーザ閾値において、積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）は、値α_ｉ＋α_ｍを取る。レーザ閾値は、積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）を示す破線の曲線が、損失曲線α_ｉ＋α_ｍに接した場合に満たされている。

【0108】

図６Ｃの曲線（１）～（３）は、それぞれ増加する温度についての積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）を示す。図示の曲線では、それぞれ異なる波長ごとにレーザ条件に到達する。しかしながら、損失は、波長が増加するにつれて急激に増加するので、利得ピークが位置するところの波長よりも短い波長において既にレーザ閾値に到達する。相応して、放出波長は、温度が上昇するにつれて、図６Ｂに示される放出波長ほど顕著にはシフトしなくなる。

【0109】

図６Ｄは、レーザの損失を実線で示す。損失は、λ_６～λ_７の波長範囲内において最小値を有する。これらの損失は、第１の共振器ミラーの反射率および第２の共振器ミラーの反射率の対応する最大値に起因する。破線により、種々異なる温度および電流（すなわち、電荷キャリア密度）についての積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）が示されている。温度が上昇するにつれて、利得曲線は、利得ピークと一緒により長い波長へとシフトする。レーザ閾値において、積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）は、値α_ｉ＋α_ｍを取る。

【0110】

図６Ｄの曲線（１）～（５）は、それぞれ増加する温度についての積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）を示す。図６Ｄでは、温度Ｔ_１における曲線（１）と、温度Ｔ_２における曲線（２）とでは、まだレーザ閾値に到達していない。温度Ｔ_３における曲線（３）では、波長λ_０＝λ_７においてレーザ放出が実施される。ここで、温度がさらにＴ_４に上昇すると、曲線（４）によって示されているように、Γ＊ｇ（λ，Ｔ４）の推移の特別な形状に基づいて引き続き波長λ_０＝λ_７において放出が実施される。とりわけ、損失曲線（α_ｉ＋α_ｍ）（λ，Ｔ）が利得曲線Γ＊ｇ（λ，Ｔ）よりも急激に上昇している限り、放出波長が安定的に維持される。結果として、閾値条件は、必ずしも利得ピークの波長において安定化されるわけではなく、λ_０において安定化される。温度Ｔ_５における曲線（５）によっても、放出波長は、安定的に維持される。

【0111】

すなわち、利得スペクトルが幅広になればなるほど、利得ピークから離れて、かつ目標波長の近傍または目標波長において、より早くに閾値条件（温度とは無関係）に到達するようになる。これに対して、利得スペクトルが比較的狭幅である場合には、比較的低い電荷キャリア密度における利得ピークは、比較的高くなるが、比較的低い電流強度において閾値に到達することとなる。しかしながら、これによって逆に、狭幅のスペクトル範囲だけが増幅を受けることにもなる。

【0112】

このことは、図６Ｅに示されている。ここでは、半導体レーザが、図６Ｄを参照しながら説明した特性を有する半導体レーザの共振器ミラーの反射率と同一の反射率を有する第１の共振器ミラーを有すると仮定されている。例えば、図６Ｄに使用された第１の共振器ミラーと、図６Ｅに使用された第１の共振器ミラーとは、同一である。図６Ｄで説明されたケースとは異なり、ここでは、半導体レーザは、狭幅な利得スペクトルを有する。

【0113】

図６Ｅの曲線（１）～（５）も、それぞれ増加する温度および電流についての積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）を示す。図６Ｅでは、温度Ｔ_１における曲線（１）と、温度Ｔ_２における曲線（２）とでは、まだレーザ閾値に到達していない。温度Ｔ_３における曲線（３）では、波長λ_０＝λ_７においてレーザ放出が実施される。ここで、温度がさらにＴ_４に上昇すると、曲線（４）によって示されているように、Γ＊ｇ（λ，Ｔ４）の推移の特別な形状に基づいて、今度は波長λ＞λ_７において放出が実施される。損失曲線（α_ｉ＋α_ｍ）（λ，Ｔ）が利得曲線Γ＊ｇ（λ，Ｔ）ほど急激には増加しないので、放出波長は、より長い波長にシフトする。結果として、閾値条件は、利得ピークの、すなわち最大利得の波長の方向にシフトされる。曲線（５）によれば、温度Ｔ_５では、格段により長い波長においてレーザ放出が実施される。比較的狭幅な利得帯域幅により、波長の安定化は、図６Ｄよりも小さな温度範囲内においてのみ有効となる。

【0114】

結果として、放出波長は、損失曲線に関係なく常に利得ピーク波長の近傍に留まる。結果として、放出波長は、温度に伴って比較的顕著に変化する。

【0115】

比較のために図６Ｆは、実線によって示されているα_ｉ＋α_ｍの曲線が、第１の共振器ミラーの反射率の挙動が異なることに起因してさほど急峻ではないエッジを有するという図面を示す。損失は、λ_６～λ_７の波長範囲内において最小値を有する。ここでも、これらの損失は、第１の共振器ミラーの反射率および第２の共振器ミラーの反射率の対応する最大値に起因する。曲線（１）～（３）は、破線により、それぞれ増加する温度および電流についての積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）を示す。温度が上昇するにつれて、Γ＊ｇ（λ，Ｔ）は、より長い波長へとシフトする。図６Ｆでは、温度Ｔ_１における曲線（１）では、まだレーザ閾値に到達していない。温度Ｔ_２における曲線（２）では、レーザ閾値に到達し、積Γ＊ｇ（λ，Ｔ）は、値α_ｉ＋α_ｍを取る。後続の温度についてのΓ＊ｇ（λ，Ｔ）は、さらに長波の範囲へとシフトし、利得曲線の傾きは、損失α_ｉ＋α_ｍの傾きよりも急峻であるので、放出波長は、温度が上昇するにつれてそれでもなお増加する。

【0116】

したがって、実施形態によればさらに、温度変化下でのレーザ波長の安定化のために、利得曲線と比較して損失曲線の急峻度を考慮すべきである。

【0117】

実施形態によれば、半導体レーザでは、半導体レーザの固有損失と、第１の共振器ミラーおよび第２の共振器ミラーによって引き起こされる、波長λに対するミラー損失との和は、λ_０＜λ＜λ_０＋Δλの範囲内において増加することができる。

【0118】

例えば、半導体レーザの固有損失とミラー損失との和は、閉じ込め係数Γ（λ，Ｔ）と波長依存性の利得ｇ（λ，Ｔ）との積に相当する曲線の少なくとも半分だけ急峻に増加することができる。

【0119】

さらなる実施形態では、半導体レーザの固有損失とミラー損失との和は、閉じ込め係数Γ（λ，Ｔ）と波長依存性の利得ｇ（λ，Ｔ）との積に相当する曲線よりも急峻に増加することができる。

【0120】

図６Ｄ、図６Ｅ、および図６Ｆを参照しながら上述したように、この場合には、例えば－４０℃～１４０℃という比較的広範な温度範囲内において放出波長を安定的に維持することができる。

【0121】

例えば、活性ゾーンが比較的少数の量子井戸構造を有するようにすることによって、比較的幅広の利得スペクトルと、ひいては閉じ込め係数Γ（λ，Ｔ）と波長依存性の利得ｇ（λ，Ｔ）との積のさほど急峻でない増加も達成することができる。比較的幅広の利得スペクトルは、例えば１．５ｍｍ未満の比較的短い共振器長によって、第２の共振器ミラーおよび／または第１の共振器ミラーの低い反射率によって、かつレーザ閾値における高い電荷キャリア密度によっても達成可能である。結果として、例えばレーザ閾値におけるまたはレーザ閾値を上回る、幅広の利得スペクトルを得ることができる。

【0122】

以下では、第１の共振器ミラーの反射率と、場合によっては第２の共振器ミラーの反射率とを調整するための例について説明する。

【0123】

図６Ｇは、実施形態による半導体レーザに関する、例えば第１の共振器ミラー１２５の反射率Ｒの推移、または第１の共振器ミラーの反射率と第２の共振器ミラーの反射率との積としての推移を示す。見て取れるように、ここでも反射率は、広範な波長範囲にわたって比較的高いレベルにある。例えば、Ｒ０は、０．０５～０．１５の範囲内にあってよい。幅、すなわち例えばλ_７とλ_８と間の差は、例えば目標波長スペクトルの幅に相当することができる。

【0124】

図６Ｈは、さらなる実施形態による半導体レーザに関する、例えば第１の共振器ミラー１２５の反射率Ｒの推移、または第１の共振器ミラーの反射率と第２の共振器ミラーの反射率との積としての推移を示す。見て取れるように、ここでも反射率は、狭幅な波長範囲にわたって比較的高いレベルにある。例えば、Ｒ０は、０．０５～０．１５の範囲内にあってよい。幅、すなわち例えばλ_７とλ_８と間の差は、例えば目標波長スペクトルの幅に相当することができる。

【0125】

図６Ｇおよび図６Ｈでは、レーザの利得が０よりもさらに大きい範囲内における、λ_７よりも短い波長またはλ_８よりも長い波長に対する反射率は、比較的低く、例えば０．０１未満または０．００５未満である。

【0126】

例えば、図６Ｇに示されている反射率の推移は、第１の共振器ミラーの反射率と第２の共振器ミラーの反射率とを適切に組み合わせることによって達成可能である。

【0127】

このことは、図６Ｉに示されている。図６Ｉでは、上側の部分には第１の共振器ミラーの反射率Ｒ１が示されており、下側の部分には第２の共振器ミラーの反射率Ｒ２が示されている。Ｒ１もＲ２も、波長λ_７においてまず始めに最大値への急峻な増加を有し、λ_８において減少を有する。λ_７より小さい波長範囲およびλ_８より大きい波長範囲では、ゼロとは異なるがそれぞれ低い反射率を有する局所的な最大値が生じる。これらの局所的な最大値は、Ｒ１とＲ２とではそれぞれ異なる波長範囲に配置されており、局所的な最大値と局所的な最大値との間の範囲内では、反射率は、それぞれ０に減少する。ここで、Ｒ１とＲ２との積として組み合わせられた反射率が形成される場合には、この組み合わせられた反射率は、λ_７よりも短い波長とλ_８よりも長い波長とに対して値０を有することとなる。λ_７では、組み合わせられた反射率は、Ｒ１またはＲ２の場合よりも高い値に増加する。λ_８では、組み合わせられた反射率は、図６Ｇに示されているように再び０に減少する。

【0128】

例えば、図６Ｈに示されている反射率の推移は、図６Ｋに示されているような第１の共振器ミラーの反射率と第２の共振器ミラーの反射率とを適切に組み合わせることによって達成可能である。

【0129】

図６Ｋの上側の部分は、第１の共振器ミラーの反射率Ｒ１を示し、下側の部分は、第２の共振器ミラーの反射率Ｒ２を示す。Ｒ１は、波長λ_７から開始してまず始めに増加する。この範囲内では、Ｒ２は、最大の一定のレベルにある。結果として、この範囲内では、組み合わせられた反射率が増加する。波長λ_９には、反射率Ｒ１の最大値と、組み合わせられた反射率の最大値も位置している。反射率Ｒ１は、波長λ_９からは最大の一定のレベルで推移し、λ_８において再び減少する。第２の共振器ミラーの反射率Ｒ２は、波長λ_９から、λ_８における値０に減少する。結果として、組み合わせられた反射率は、λ_９から減少し、λ_８において値０に到達する。

【0130】

さらなる実施形態によれば、図４～図５Ｃを参照しながら説明したようにブラッグミラーに吸収層を組み込むことによって、反射率の急峻な推移を実現することができる。

【0131】

図７Ａは、波長依存性の反射率を有する第１の共振器ミラー１２５が、第２の共振器ミラー１３０よりも低い反射率を有するような実施形態による、半導体レーザの概略断面図を示す。したがって、第１の共振器ミラー１２５は、生成された電磁放射１３５を出射させるための出射ミラーである。半導体レーザ１０は、例えばｐ導電型である第１の導電型の第１の半導体層１１０と、例えばｎ導電型である第２の導電型の第２の半導体層１２０とを有する。半導体レーザは、第１の半導体層と第２の半導体層との間に配置された活性ゾーン１１５をさらに含む。半導体レーザ１０は、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ材料系をベースにしている。例えば、活性ゾーンは、例えば９０５ｎｍの波長を放出することができる二重量子井戸構造を有する複数の、例えば３つの上下に重なり合うように配置されたレーザ素子を含むことができる。光共振器１３１は、第１の共振器ミラー１２５と第２の共振器ミラー１３０との間に配置されている。光共振器１３１は、半導体層配列１１２の第１の主表面１１１に対して平行な方向に延在している。例えば、光共振器１３１の長さは、１．５ｍｍ未満、例えば１２００μｍ未満、例えば約６００μｍであってよい。

【0132】

第１のコンタクト要素１１７は、第１の半導体層１１０に電気的にコンタクトするように配置されている。第２のコンタクト要素１１８は、第２の半導体層１２０に電気的にコンタクトするように配置されている。

【0133】

第１の共振器ミラー１２５は、図７Ｃを参照しながら以下により詳細に説明する構造および反射率を有する。

【0134】

本明細書に記載されている実施形態は、第１の共振器ミラー１２５の反射率が１０％未満、例えば１％未満とわずかである場合に、放出波長の青色シフトが発生する可能性があるという観察に基づいている。この青色シフトは、温度が上昇するにつれてレーザ閾値における電荷キャリア密度が増加することに起因する。このことは、温度が上昇するにつれて利得が減少することに起因する。その結果、利得最大値は、温度が上昇するにつれてより短い波長へとシフトされる。本明細書に記載されている実施形態によれば、この効果は、半導体レーザの放出波長が安定化されるように、波長に依存する適切に調整された反射挙動と組み合わされる。

【0135】

第２の共振器ミラー１３０は、例えば考察される波長範囲内において９６％よりも大きい反射率を有することができる。例えば、第２の共振器ミラー１３０は、ブラッグミラーとして構成可能であり、２つよりも多くの層ペア、例えば３つの層ペアを含むことができる。例えば、第２の共振器ミラー１３０の層は、適切な誘電性材料とシリコンとを含むことができる。

【0136】

図７Ｂは、波長に依存した第２の共振器ミラー１３０の反射率を示す。見て取れるように、反射率は、約９６％から、波長が増加するにつれてまず始めに増加し、次いで約９８．５％の値で留まる。この値には、約９０５ｎｍにおいて到達している。

【0137】

図７Ｃは、種々異なるミラーに関する、波長に依存した反射率を示す。（１）で示されている反射率は、約８８０ｎｍでの約１２％から直線的に、９６０ｎｍでの約７．３％まで減少する。（２）で示されている反射率は、８８０～９６０ｎｍの間の考察される波長範囲内において約１％でほぼ不変である。例えば、（２）で示されている反射挙動を示すミラーは、複数のＡｌＯ／ＴａＯ層ペアを有することができる。

【0138】

（３）で示されている反射率は、８８０ｎｍでの約５％の値から９０５ｎｍでの１％の値まで減少し、９６０ｎｍまでの波長範囲内において１％未満に留まる。反射率を特徴付けるための第１の特徴値は、ここでは、いわゆる基点λ_Ｆ、すなわち反射率が１％に減少したところの波長である。１％の反射率では、またさらに後述するように、波長の青色シフトの効果が明らかに見て取れる。曲線（３）に関する基点λ_Ｆ３は、ここでは９０５ｎｍである。さらなる特徴値は、例えば１％～２％の反射率の間で達成される負の傾きであり、すなわち、Δ_３＝ΔＲ％／Δλ_３～０．１１％／ｎｍである。曲線（３）に示されている反射率を有する第１の共振器ミラーは、この特別な波長依存性の反射率が生じるように、複数の薄い層の適切な組み合わせを有するブラッグミラーとして構成されている。

【0139】

（４）で示されている反射率は、８８０ｎｍでの約９．８％の値から９２０ｎｍでの１％の値まで減少し、９６０ｎｍまでの波長範囲内において１％未満に留まる。したがって、曲線（４）に関する基点λ_Ｆ４は、ここでは９２０ｎｍである。１％～２％の反射率の間の負の傾きは、Δ_４＝ΔＲ％／Δλ_４～０．１９％／ｎｍである。曲線（４）に示されている反射率を有する第１の共振器ミラーは、この特別な波長依存性の反射率が生じるように、複数の薄い層の適切な組み合わせを有するブラッグミラーとして構成されている。

【0140】

（５）で示されている反射率は、８９０ｎｍでの約１１．３％の値から９３５ｎｍでの１％の値まで減少し、９６０ｎｍまでの波長範囲内において１％未満に留まる。曲線（５）に関する基点λ_Ｆ５は、ここでは９３５ｎｍである。１％～２％の反射率の間の負の傾きは、Δ５＝ΔＲ％／Δλ_５～０．１６％／ｎｍである。曲線（５）に示されている反射率を有する第１の共振器ミラーは、この特別な波長依存性の反射率が生じるように、複数の薄い層の適切な組み合わせを有するブラッグミラーとして構成されている。

【0141】

第１の共振器ミラーの反射率に関して、ここでは目標波長λ_０の範囲内において、ｋ≦－０．１％であるときのλ＝λ_０に対して、ｄＲ／ｄλ＜ｋ／ｎｍが成り立つ。例えば図２Ａまたは図２Ｂに示されているものとは異なり、λ＝λ_０での反射率は、ここでは局所的な最大値から減少するのではなく、反射率は、既にλ_０未満の波長に対して顕著に減少している。波長に伴う反射率の、この明らかに異なる挙動は、反射率が１２％未満の範囲内で観察されることに起因する。この範囲内における第１の共振器ミラーの反射率を有する半導体レーザの場合には、例えば第１の共振器ミラーの反射率が図２Ａおよび図２Ｂに示されている挙動を示すような実施形態の場合とは異なる効果によって、波長安定化が達成される。本明細書に記載されている実施形態では、放出波長の青色シフトが温度に伴う赤色シフトを補償するように、第１の共振器ミラーの反射挙動が低い値に維持される。

【0142】

一般的に、例えば半導体レーザ１０の目標波長の範囲内における第１の共振器ミラー１２５の反射率は、１０％未満であり、さらなる実施形態によれば５％未満である。

【0143】

図７Ａに示されている構造を有する半導体レーザ１０のさらなる特性を以下に説明し、ここでは、第１の共振器ミラー１２５は、それぞれ図７Ｃを参照しながら説明した構造を有する。

【0144】

図７Ｄは、上述したように種々異なる構造を有する第１の共振器ミラー１２５の反射率を、８５０～１０００ｎｍの間の比較的広範な波長範囲にわたって示す。見て取れるように、比較的長い波長に対する反射率は、再び増加する可能性がある。しかしながら、反射率は、第１の共振器ミラーの十分に広範な「遮断範囲」が保証されるように推移すべきである。例えば、反射率＞１％になるところの波長を、例えばこの波長が、非常に低い利得を有する範囲内に位置するように、活性ゾーンの利得帯域幅に応じて選択することができる。これにより、この比較的高い波長範囲内においてレーザ放出が引き起こされることを回避することができる。図７Ｄでは、反射率の番号付けは、図７Ｃに示されている反射率を有する同一の共振器ミラーに関連している。

【0145】

図８Ａは、図７Ａに示されている構造を有する半導体レーザに関して、温度に依存した、レーザ閾値における計算された電荷キャリア密度Ｎｔｈを示し、ここでは、第１の共振器ミラーは、それぞれ図７Ｃを参照しながら説明した特性と、対応する構造とを有する。見て取れるように、図７Ｃの曲線（１）において説明したような反射率を有する第１の共振器ミラー１２５は、レーザ閾値における最も低い電荷キャリア密度Ｎｔｈを有し、かつ温度に対する電荷キャリア密度Ｎｔｈの依存性が最も低くなっている。このことは、第１の共振器ミラーの、さほど波長依存性でない高い反射率に基づいて、発生するミラー損失がわずかであることに起因する。結果として、低い閾値利得が生じ、このことは、比較的低いキャリア密度をもたらす。一般的に、レーザ閾値における電荷キャリア密度Ｎｔｈは、温度が上昇するにつれて増加する。このことは、温度が上昇するにつれて利得が減少することに起因する。

【0146】

曲線（２）によって特徴付けられた反射率を有する第１の共振器ミラーの場合には、反射率は、かなり低い値でほぼ一定に留まる。この場合、－４０℃～＋４０℃の範囲内におけるレーザ閾値における電荷キャリアの数は、曲線（３）～（５）に示されている反射率を有する第１の共振器ミラーの場合よりも多い。

【0147】

曲線（３）によって特徴付けられた反射率を有する第１の共振器ミラーの場合には、反射率は、９０５ｎｍの波長において既に１％という比較的低い反射率に到達している。この場合、約５０℃の温度までの、レーザ閾値における電荷キャリア密度Ｎｔｈは、曲線（２）よりも低いが、曲線（１）、（４）、および（５）よりも高い。約５０℃を超える温度範囲内では、レーザ閾値における電荷キャリア密度は、曲線（２）よりも高く、また曲線（１）、（４）、および（５）よりも高い。

【0148】

全体として曲線（１）～（５）の比較から分かるように、曲線（２）～（５）によれば、温度に伴うレーザ閾値における電荷キャリア密度Ｎｔｈの依存性は、曲線（１）に比べてより大きい。相応して、図７Ｃの曲線（２）～（５）による反射率をもたらす構造を有する第１の共振器ミラーの場合には、この依存性は、曲線（１）による共振器ミラーよりも大きい。

【0149】

一般的に、曲線（３）～（５）では、レーザ閾値における電荷キャリア密度は、０℃～６０℃の温度範囲内において２５％超、例えば３０％超または３５％超だけ増加する。

【0150】

温度に伴うレーザ閾値における電荷キャリア密度Ｎｔｈの増加に基づいて、曲線（２）～（５）による共振器ミラーの場合、曲線（１）による共振器ミラーに比べて大幅な、温度に伴う青色シフトが生じる。

【0151】

一般的に、レーザ閾値における電荷キャリア密度Ｎｔｈの増加を、その結果として生じる青色シフトが、バンドギャップの減少によって引き起こされる赤色シフトを補償するような大きさにすることが努められ、これにより、広範な温度範囲内において放出波長を安定化させることができる。

【0152】

温度上昇によって引き起こされる利得減少に起因する、レーザ閾値における電荷キャリア密度の増加は、微分利得ｄｇ／ｄＮが小さくなればなるほどより急激になり得る。キャリア密度に依存した利得スペクトル最大値は、例えば、利得係数ｇ０と透明キャリア密度Ｎｔｒとを用いる実験式ｇ＝ｇ０＊ｌｎ（Ｎ／Ｎｔｒ）に従う。微分利得は、ｄｇ／ｄＮ＝ｇ０／Ｎとして得られる。微分利得は、キャリア密度が増加するにつれて急速に減少する。すなわち、温度に伴うレーザ閾値における電荷キャリア密度の変化は、出力閾値キャリア密度に伴って急速に増加する。この関連における出力閾値キャリア密度とは、適切な基準温度、例えば室温における、または考察される温度範囲の下限、例えば－４０℃における閾値キャリア密度を表す。

【0153】

従来のレーザダイオードでは、大きな効率を達成するために、通常、利得および微分利得が可能な限り最大化される。本明細書に記載されている波長安定化レーザダイオードは、実施形態によれば、レーザ閾値において、従来のレーザダイオードと比べて増加された電荷キャリア密度を有するように、かつこれにより、わずかな微分利得しか有さないように構成される。生じる効率損失により、波長の安定化が獲得される。効率損失は、適切な設計および最適化によって制限可能である。

【0154】

実施形態によれば、例えば、活性ゾーンは、もっぱら単一量子井戸構造を有することができる。図８Ｂは、単一量子井戸構造（曲線（１））、二重量子井戸構造（曲線（２））、および三重量子井戸構造（曲線（３））を有する半導体レーザに関して、電荷キャリア密度に依存した光学利得のプロットを示す。

【0155】

図８Ｃは、単一量子井戸構造（曲線（１））、二重量子井戸構造（曲線（２））、および三重量子井戸構造（曲線（３））を有する半導体レーザに関して、電荷キャリア密度に依存した微分利得のプロットを示す。

【0156】

見て取れるように、多重量子井戸構造に比べて量子膜の数が少ない場合、すなわち単一量子井戸構造の場合には、微分利得が減少する。相応に、波長安定化のために、少数の量子膜または量子井戸構造が好適である。

【0157】

通常、量子膜の数を増やすことによって光学利得を増加させることができ、これによって効率を向上させることができる。逆に、本明細書で説明したように、単一量子井戸構造を使用することによって温度安定性を高めることができる。

【0158】

図９Ａは、－４０℃～１２０℃の温度範囲内における、パルスレーザのヒートシンクの温度に依存したパルスレーザの放出波長の実験データを示す。半導体レーザと活性ゾーンとの層構造は、例えば２０℃における放出波長が９０５ｎｍになるように構成されている。半導体レーザは、図１Ｂに示されているように上下に重なり合うように積層された複数のレーザ素子を有する。半導体レーザの活性ゾーンは、例えば多重量子井戸構造を有する。例えば、図１Ｂに示されているような３つのレーザ素子は、それぞれ二重量子井戸構造によって上下に重なり合うように積層されている。半導体レーザには、例えば第１のコンタクト要素１１７および第２のコンタクト要素１１８に対応する電圧を印加することによって４０Ａの電流強度が印加された。図９Ａは、図７Ｃを参照しながら説明した特性および層構造を有する半導体レーザがそれぞれ使用された場合の５つの異なる曲線を示す。

【0159】

曲線（１）は、反射率が８８０ｎｍでの１２％から９６０ｎｍでの約７．２％まで線形に減少する第１の共振器ミラー１２５を有する半導体レーザの波長を示す。この半導体レーザの放出される波長は、－４０℃での約８９２ｎｍの値から、１２０℃での約９３５ｎｍの値までほぼ線形に増加する。－４０℃～６０℃の間の範囲１および２では、この増加は、温度に伴うバンドギャップの減少に基づく約０．２７ｎｍ／Ｋの予想される赤色シフトに対応する。８０℃～１２０℃の間の範囲３では、この作用は、青色シフトによってわずかにカバーされる。この青色シフトは、図８Ａにも示されているように、レーザ閾値における電荷キャリア密度Ｎｔｈの増加によって生じる。

【0160】

曲線（２）は、反射率が８８０～９６０ｎｍの範囲内においてほぼ一定に１％である第１の共振器ミラー１２５を有する半導体レーザの波長を示す。この半導体レーザの放出される波長は、－４０℃での約８８８ｎｍの値から、１００℃での約９１３ｎｍの値まで連続的に増加する。－４０℃～０℃の間の範囲１では、この増加は、約０．２７ｎｍ／Ｋの赤色シフトに対応する。この赤色シフトは、温度上昇に伴うバンドギャップの減少に基づいて生じる。２０℃～６０℃の間の範囲２では、この赤色シフトは、青色シフトによってわずかに補償される。この青色シフトは、図８に示されているように、レーザ閾値における電荷キャリア密度Ｎｔｈの増加によって生じる。８０℃～１２０℃の間の範囲３では、波長は、増幅度（ゲイン）の青色シフトに基づいてわずかに減少する。この青色シフトは、レーザ閾値における電荷キャリア密度Ｎｔｈの増加によって生じる。

【0161】

曲線（３）は、反射率が図７Ｃで説明したように挙動する第１の共振器ミラー１２５を有する半導体レーザの波長を示す。この半導体レーザの放出される波長は、－４０℃～０℃の間の範囲１ではわずかにしか増加せず、この増加は、約０．１ｎｍ／Ｋに相当する。この増加は、９０５ｎｍ未満の低い波長範囲内における波長に伴う反射率の急峻な負のエッジによって生じる。２０℃～６０℃の間の範囲２では、ミラーの特別な反射率に基づいて、低減された赤色シフトが生じる。範囲２において、既に最大放出波長に到達する。６０℃の温度を超えて、８０℃～１２０℃の間の範囲３では、利得（ゲイン）の青色シフトに基づいて波長が大幅に減少する。この青色シフトも、レーザ閾値における電荷キャリア密度Ｎｔｈの増加によって生じる。

【0162】

曲線（４）は、反射率が図７Ｃで説明したように挙動する第１の共振器ミラー１２５を有する半導体レーザの波長を示す。この半導体レーザの放出される波長は、－４０℃～０℃の間の範囲１ではまず始めに増加し、この増加は、約０．２７ｎｍ／Ｋの赤色シフトに対応する。この増加も、温度上昇に伴って低減されたバンドギャップに基づいて生じる。２０℃～６０℃の間の範囲２では、第１の共振器ミラーの特別な反射率に基づいて、０．０６７ｎｍ／Ｋの低減された赤色シフトが生じる。８０℃～１２０℃の間の範囲３では、利得（ゲイン）の青色シフトに基づいて波長が減少する。この青色シフトは、レーザ閾値における電荷キャリア密度Ｎｔｈの増加によって生じる。

【0163】

曲線（５）は、反射率が図７Ｃで説明したように挙動する第１の共振器ミラー１２５を有する半導体レーザの波長を示す。この半導体レーザの放出される波長は、－４０℃～０℃の間の範囲１ではまず始めに増加し、この増加は、約０．２７ｎｍ／Ｋの赤色シフトに対応する。この増加も、温度上昇に伴って低減されたバンドギャップに基づいて生じる。２０℃～６０℃の間の範囲２では、第１の共振器ミラーの特別な反射率に基づいて、０．０６７ｎｍ／Ｋの低減された赤色シフトが生じる。８０℃～１２０℃の間の範囲３では、利得（ゲイン）の青色シフトに基づいて波長が減少する。この青色シフトは、レーザ閾値における電荷キャリア密度Ｎｔｈの増加によって生じる。

【0164】

半導体レーザは、例えば０℃～６０℃の温度範囲内において安定した波長を放出すべきであるということを前提にすると、図７Ｃに示されているような曲線（３）、（４）、または（５）による反射率を有する第１の共振器ミラー１２５を有する半導体レーザが、良好な結果をもたらすということを認識することができる。

【0165】

図９Ｂは、温度に依存した第１の共振器ミラーの反射率を示す。反射率は、図７Ｃを参照しながら説明した特性および層構造を有する第１の共振器ミラーに関して特定されている。この場合、反射率は、それぞれの温度に対応する動作波長における反射率を表す。

【0166】

曲線（１）から見て取れるように、反射率が８８０ｎｍでの１２％から９６０ｎｍでの約７．２％まで線形に減少する共振器ミラー１２５の場合には、反射率は、温度が上昇するにつれて、増幅度の赤色シフトに基づいて若干減少する。

【0167】

曲線（２）による共振器ミラーの構造（波長に伴って反射率がほぼ一定である）に基づくと、共振器ミラーの反射率は、温度にもほぼ依存していない。

【0168】

曲線（４）および（５）による共振器ミラーの場合には、反射率は、－４０℃～０℃の間の範囲１では減少する。波長は、共振器ミラーのそれぞれの基点に近づく。２０℃～６０℃の範囲２では、反射率は一定である。この場合、波長は、ミラーの赤色シフトと同様に変化する。８０℃～１２０℃の間の範囲３では、レーザ閾値における高い電荷キャリア密度Ｎｔｈによって引き起こされる青色シフトに基づいて、反射率が増加する。

【0169】

曲線（３）による共振器ミラーの場合には、反射率は、範囲１および２ではほぼ一定である。ここでは、図７Ｃを参照しながら説明したように、大きな負の傾きΔ_３を認識することができる。ほんのわずかな赤色シフトしか生じていない。

【0170】

曲線（３）～（５）による共振器ミラーは、範囲３において青色シフトの結果として増加する反射率を有するので、これらの共振器ミラーは、良好な光効率データを達成するために適している。

【0171】

光学フィードバックに対してわずかな感度が望まれている場合には、曲線（５）による共振器ミラーの高い反射率が好適である。

【0172】

図９Ｃは、図７Ｃを参照して説明したような、それぞれ異なる第１の共振器ミラー１２５を有する半導体レーザの光出力電力を示す。出力電力は、６０℃および均一な電流において特定されたものである。

【0173】

この比較から分かるように、曲線（３）～（５）による第１の共振器ミラーを使用した場合の光出力電力ピークは、曲線（１）による共振器ミラーに比べていくらか減少している。一定の低い反射率を有する曲線（２）による共振器ミラーが、最小の効率を有することも明らかである。このことから、曲線（３）～（５）による共振器ミラーは、顕著な効率損失なく半導体レーザの波長安定性をもたらすことができるということが明らかである。

【0174】

図９Ｄは、それぞれ異なる第１の共振器ミラー１２５を有する半導体レーザに関する、温度に伴う放出波長の変化のプロットを示す。このとき、一方では、図７Ｃを参照しながら説明した特性および層構造を有する第１の共振器ミラー１２５が使用された。温度に伴う放出波長の変化は、２５℃および８０℃での放出波長の差と、１０Ｗの出力電力における温度との商に相当する。

【0175】

変形例０による共振器ミラーは、図７Ｃの曲線（１）に示されている反射率を有する共振器ミラーである。さらに、変形例１による共振器ミラーは、反射率が一定に７％である共振器ミラーである。変形例２による共振器ミラーは、反射率が一定に５％である共振器ミラーであり、変形例３による共振器ミラーは、反射率が一定に３％である共振器ミラーである。変形例４による共振器ミラーは、図７Ｃの曲線（２）に示されている反射率を有し、かつ反射率が一定に１％である共振器ミラーである。変形例５による共振器ミラーは、図７Ｃの曲線（５）に示されている反射率を有する共振器ミラーである。変形例６による共振器ミラーは、図７Ｃの曲線（４）に示されている反射率を有する共振器ミラーである。変形例７による共振器ミラーは、図７Ｃの曲線（３）に示されている反射率を有する共振器ミラーである。

【0176】

見て取れるように、温度に伴う放出波長の変化は、変形例１の場合に約０．２７ｎｍ／Ｋで最大であり、約０の値を有する変形例７まで減少する。変形例１に関する放出波長の変化は、温度に伴うバンドギャップの変化に対応する。

【0177】

上述したように、提示された特性を有する第１の共振器ミラー１２５を使用することにより、放出波長の温度安定性の向上を達成することができる。相応して、いずれにせよ端面発光型の半導体レーザの構成部分である特別なファセットコーティングによって、第１の共振器ミラーを実現することが可能である。その結果、温度安定性の向上を費用的にも労力的にも中立に達成することができる。

【0178】

さらに、例えば図７Ｃに示されているような曲線（３）～（５）による、波長の増加に対して急激に減少するエッジを有する第１の共振器ミラーが使用される場合には、長波の側での放出スペクトルが圧縮される。すなわち、例えば、曲線（１）による第１の共振器ミラーの反射率を有するレーザの放出スペクトルに比べて、長波の下降エッジがより急峻になり、これによってスペクトルの線幅が小さくなる。例えば、放出の帯域幅を１５％超だけ減少させることができる。この効果は、とりわけ比較的高い温度においてより顕著に現れている。

【0179】

図９Ｅは、上側の領域において、図７Ｃの曲線（３）による第１の共振器ミラーを有する半導体レーザの放出スペクトルを、２０℃の場合（実線）と８５℃の場合（破線）とにおいて示す。下側の部分は、図７Ｃの曲線（１）による第１の共振器ミラーを有する半導体レーザの放出スペクトルを、２０℃の場合（実線）と８５℃の場合（破線）とにおいて比較のために示す。見て取れるように、図９Ｅの上側の領域では、図９Ｅの下側の領域の場合よりもより低い波長へのスペクトルのわずかな波長シフト（＜５ｎｍ）が生じている。さらに、半値幅（強度０．５での線幅）が、１５％超だけ低減されている。例えば、スペクトルの８５℃におけるスペクトルの半値幅は、上側の領域では７ｎｍであり、下側の領域では８．５ｎｍである。

【0180】

放出の帯域幅が低減されることにより、多くの用途において性能のさらなる改善をもたらすことができる。例えば、この半導体レーザ１０は、固体レーザの光ポンピングのために使用可能である。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧファイバレーザまたはＹｂ：ＹＡＧファイバレーザからの狭幅な吸収線のポンピングの際に、ポンピング効率を拡大させることができる。光源と、フィルタと、検出器とを有するＬＩＤＡＲシステムにおいても、光源の放出の帯域幅の低減が有利であろう。

【0181】

上述したように、温度が上昇した場合、ひいては波長が増加した場合に、エッジフィルタのエッジ形状によってミラー損失が急激に増加し、かつ閾値キャリア密度が急激に増加し、このこと自体により、温度範囲全体における青色シフトと、波長シフトのいわば自己調整式の補償とがもたらされる。この範囲内では、有効な反射率がほぼ一定に維持され、放出波長は、第１の共振器ミラー１２５の反射率の温度依存性のスペクトル位置にある程度従う（約０．０７ｎｍ／Ｋ）。これにより、具体的な共振条件等を頼りにしているアプローチの場合よりも、半導体レーザのロバスト性および生産性が大きくなる。レーザダイオードを使用する際には、多くの場合、所定の温度範囲（例えば、０℃～８５℃または－４０℃～１２０℃）にわたって放出波長が所与のコリドーから離れないことが要求されている。記載されている措置によってさらに可能となる、赤色シフトの過補償の効果は、高温での対応する設計において、むしろ、波長安定化の利用可能な温度範囲を特に大きくする青色シフトを生じさせることが可能である。温度に伴う波長変化は、低温では正となり、高温では負となり、放出波長は、中間くらいの温度において最大値を有するようになる。波長安定化のために利用可能な温度範囲が拡大される以外にも、波長に依存した反射率のローパス状の形状による高温での波長の低減により、第１の共振器ミラーの反射率の増加がもたらされる。これによって再び、まさに高温でのレーザの効率が、第１の共振器ミラーの反射率の平坦な特性を有するレーザに比べて高められる。第１の共振器ミラーの反射率を調整することによる波長安定化は、比較的低い反射率を有するファセットの修正によって達成される。結果として、この波長安定化は、任意に多数の上下に重なり合うように積層されたレーザ素子１２７_１，１２７_２等を有する半導体レーザのためも機能する。

【0182】

図７Ａ～図９Ｅを参照しながら説明したように、第１の共振器ミラー１２５の反射率は、波長依存性であり、目標波長の範囲内では１０％未満または８％未満である。第２の共振器ミラー１３０の反射率は、例えば９５％超である。例えば、実施形態による第２の共振器ミラー１３０の反射率は、波長依存性でないか、またはわずかな程度しか波長依存性でない。このようにして、利用可能な光出力電力の、第２の共振器ミラー１３０での出射が可能な限り抑制される。さらに、ハウジングにおける光出力電力の制御されない吸収または有害な吸収を回避することができる。

【0183】

実施形態によれば、光共振器１３１の長さは、１ｍｍ未満、例えば７００μｍ未満であってよい。このようにして、ミラー損失を、増幅が発生する共振器１３１の長さに比べて増加させることができる。

【0184】

実施形態によれば、温度の上昇に伴う波長の青色シフトの効果を拡大させるために、さらなる特徴を実現することができる。例えば、追加的な特徴により、わずかな微分利得が達成されることを引き起こすことができる。さらに、利得を拡大して、これによって利得最大値を低減するために、特徴を実現することができる。

【0185】

例えば、活性ゾーンは、相互に離調された量子井戸を有する多重量子井戸構造を有することができる。

【0186】

図９Ｆは、例えば光共振器１３１の延在方向に対して垂直な水平方向における、実施形態による半導体レーザの活性ゾーンにおける伝導帯および価電子帯の推移の一例を示す。例えば、対応する活性ゾーンには、３つの量子井戸が含まれている。個々の層の組成および／または層厚さは、伝導帯および価電子帯における対応するエネルギ準位の間のエネルギ差がそれぞれほんのわずかに異なるように選択されている。例えば、図示の量子井戸には、それぞれ遷移エネルギＥ１，Ｅ２，Ｅ３を対応付けることができる。この場合、遷移エネルギＥ１，Ｅ２，Ｅ３は、それぞれ若干異なっている。例えば、それぞれ放出される波長は、５ｎｍ超、例えば１０ｎｍ超だけ異なることができる。

【0187】

このようにして、波長依存性の利得を拡大させることができる。さらに、利得最大値を低減することができる。結果として、青色シフトが増加する。相応して、半導体レーザの温度安定性をさらに改善することができる。さらに、半導体レーザの製造および収率を改善することができる。

【0188】

さらなる実施形態によれば、光学損失α_ｉを拡大させるために、追加的な措置を講じることができる。これによって、レーザ閾値における電荷キャリア密度Ｎｔｈをさらに増加させることができる。

【0189】

図７Ｂ～図９Ｆの半導体レーザの特徴が、図７Ａに示されている半導体レーザに基づいて説明されていたとしても、説明されている特徴およびコンセプトが、例えば図１Ｂ、図１Ｃ、および図１Ｄに示されている半導体レーザにも適用可能であることは明らかである。さらに、説明されているコンセプトは、他の材料系の半導体レーザにも適用可能である。

【0190】

図１０Ａは、上述した半導体レーザ１０を使用することができるＬＩＤＡＲシステム１５０の概略的な配置を示す。半導体レーザ１０から放出された、典型的にはパルス状であるレーザ放射は、例えばコリメータ光学系１５７および偏向／走査ユニット１５４を通って送出される。対物ビーム１５３は、物体１５６に入射し、この物体１５６によって反射される。この際に、反射された放射１５５が生じる。反射された放射１５５は、受信光学系１５２によって検出器１６０に供給される。レーザパルスの送出とレーザパルスの受信との間の時間差から、物体１５６までの距離を特定することができる。

【0191】

温度が変動する場合であっても半導体レーザを安定した波長で動作させることが可能であることにより、狭帯域の検出器を使用することが可能になる。例えば、検出器は、１０ｎｍ未満または５ｎｍ未満またはそれどころか１ｎｍ未満の狭幅な波長窓を使用することができる。結果として、太陽光の入射の影響を低減することができ、信号対雑音比を高めることができる。結果として、例えば同じ距離を測定するために、レーザからの出力が少なくてよくなる。結果として、システムの性能が全体として高められる。さらに、不変の信号対雑音比によって同じ測定を実施するために、わずかな出力でレーザを動作させることができる。結果として、エネルギ消費が低減される。さらに、上述した半導体レーザは、簡単に製造可能である。

【0192】

図１０Ｂは、上述したような半導体レーザ１０と、さらなるレーザ１６５とを有するレーザシステム１６４を示し、さらなるレーザ１６５は、半導体レーザ１０によって光ポンピング可能である。例えば、さらなるレーザ１６５は、固体レーザまたはファイバレーザであってよい。例えば、このレーザは、非常に狭幅な吸収スペクトルを有することができる。上述したように、実施形態による半導体レーザ１０が、広範な温度範囲にわたって波長安定的であることにより、この半導体レーザ１０を使用して、非常に狭幅な吸収スペクトルを有するレーザを光ポンピングすることができる。

【0193】

さらなる実施形態では、上述した半導体レーザは、レーザ溶接またはレーザ切断のためにも使用可能である。

【0194】

本明細書では、特定の実施形態について例示および説明してきたが、当業者は、これらの図示および説明された特定の実施形態を、本発明の保護範囲から逸脱することなく種々の代替的な実施形態および／または均等な実施形態によって置き換えてもよいことを認識するであろう。本願は、本明細書で論じられている特定の実施形態の任意の適合形態または変形形態を網羅することを意図している。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびそれらの均等物のみによって制限される。

【符号の説明】

【0195】

１０ 半導体レーザ
１００ 支持体基板
１１０ 第１の半導体層
１１１ 第１の主表面
１１２ 半導体層配列
１１５ 活性ゾーン
１１６ 側面
１１７ 第１のコンタクト要素
１１８ 第２のコンタクト要素
１２０ 第２の半導体層
１２５ 第１の共振器ミラー
１２７_１ 第１のレーザ素子
１２７_２ 第２のレーザ素子
１２７_３ 第３のレーザ素子
１２８_１ 第１の接続層
１２８_２ 第２の接続層
１２９ 吸収層
１３０ 第２の共振器ミラー
１３１ 共振器
１３５ 放出されたレーザ放射
１３７ 反射性の側縁部
１３８ 誘電層
１４０ 吸収体素子
１４１ 透明な絶縁層
１４２ 透明な誘電層
１４３ 吸収体層
１４４ 第１の共振器ミラー
１４６ 第２の共振器ミラー
１５０ ＬＩＤＡＲシステム
１５１ ビームスプリッタ
１５２ 受信光学系
１５３ 対物ビーム
１５４ 偏向／走査ユニット
１５５ 反射された放射
１５６ 物体
１５７ コリメータ光学系
１６０ 検出器
１６１ 十分な反射率を有する波長範囲
１６４ レーザシステム
１６５ さらなるレーザ

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図6E】

【図6F】

【図6G】

【図6H】

【図6I】

【図6K】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図9E】

【図9F】

【図10A】

【図10B】

【手続補正書】

【提出日】2022-10-21

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体レーザ（１０）であって、
当該半導体レーザ（１０）は、
放射生成のための活性ゾーン（１１５）を有する半導体層配列（１１２）、
第１の共振器ミラー（１２５）、第２の共振器ミラー（１３０）、および前記第１の共振器ミラー（１２５）と前記第２の共振器ミラー（１３０）との間に配置された光共振器（１３１）を有し、前記光共振器（１３１）は、前記半導体層配列（１１２）の主表面（１１１）に対して平行な方向に延在しており、
前記第１の共振器ミラー（１２５）の反射率Ｒ１は、波長依存性であり、したがって、前記Ｒ１は、または前記Ｒ１と前記第２の共振器ミラー（１３０）の反射率Ｒ２との積Ｒは、前記レーザの目標波長λ_０からλ_０＋Δλまでの波長範囲内において値Ｒ０から減少し、ここで、Δλは、放出波長の温度依存性のシフトに依存して選択され、１００ｎｍ未満であり、
前記Ｒに関して、以下の関係：
（ｉ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλである少なくとも１つの波長λに対して、Ｒ（λ）＜０．３＊Ｒ０；
（ｉｉ）ｋ≦－０．１％であるときのλ＝λ_０に対して、ｄＲ／ｄλ＜ｋ／ｎｍ
のうちの少なくとも１つが成り立つか、または
前記Ｒ１に関して、以下の関係：
（ｉｉｉ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλである少なくとも１つの波長λに対して、Ｒ１（λ）＜０．３＊Ｒ０；
（ｉｖ）ｋ≦－０．１％であるときのλ＝λ_０に対して、ｄＲ１／ｄλ＜ｋ／ｎｍ
のうちの少なくとも１つが成り立ち、
前記Ｒまたは前記Ｒ１は、波長がλ _０ 未満である場合、波長が増加するにつれて値Ｒ０まで増加する、
半導体レーザ（１０）。

【請求項2】

前記第２の共振器ミラー（１３０）は、波長依存性の反射率を有し、
前記波長依存性の反射率は、波長がλ_０未満である場合、局所的な最大値まで増加する、
請求項１記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項3】

ｋ≦－０．２％が成り立つ、
請求項１または２記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項4】

以下の関係：
（ｖ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλに対して、ｄＲ／ｄλ＜－ｇ＊Ｒ（λ）；
（ｖｉ）λ_０＜λ＜λ_０＋Δλに対して、ｄＲ１／ｄλ＜－ｇ＊Ｒ１（λ）／ｎｍ
のうちの少なくとも１つが成り立ち、ただし、ｇ≧０．０３である、
請求項１または２記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項5】

前記半導体レーザの固有損失と、前記第１の共振器ミラーおよび前記第２の共振器ミラーによって引き起こされる、波長λに対するミラー損失との和は、λ_０＜λ＜λ_０＋Δλの範囲内において増加する、
請求項１記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項6】

前記半導体レーザの前記固有損失と、前記第１の共振器ミラーおよび前記第２の共振器ミラーによって引き起こされる、波長λに対する前記ミラー損失との和は、λ_０＜λ＜λ_０＋Δλの範囲内において、閉じ込め係数Γ（λ，Ｔ）と波長依存性の利得ｇ（λ，Ｔ）との積に相当する曲線の少なくとも半分だけ急峻である、
請求項５記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項7】

前記半導体レーザの前記固有損失と、前記第１の共振器ミラーおよび前記第２の共振器ミラーによって引き起こされる、波長λに対する前記ミラー損失との和は、λ_０＜λ＜λ_０＋Δλの範囲内において、閉じ込め係数Γ（λ，Ｔ）と波長依存性の利得ｇ（λ，Ｔ）との積に相当する曲線よりも急峻である、
請求項６記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項8】

前記第１の共振器ミラー（１２５）は、ブラッグミラーとして実現されている、
請求項１または２記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項9】

前記ブラッグミラーは、エピタキシャル成長させられた半導体層を有する、
請求項８記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項10】

前記ブラッグミラーの前記半導体層のうちの少なくとも１つの半導体層は、λ_０未満の波長範囲を有する電磁放射を吸収するために適している、
請求項９記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項11】

前記第１の共振器ミラーの前記反射率Ｒ１または前記積Ｒは、前記目標波長の範囲内において８％未満である、
請求項１または２記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項12】

前記活性ゾーン（１１５）は、もっぱら単一量子井戸構造を有する、
請求項１または２記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項13】

前記活性ゾーンは、相互に離調された量子井戸を有する多重量子井戸構造を有する、
請求項１または２記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項14】

０℃～６０℃の温度範囲内では、レーザ閾値における電荷キャリア密度は、２５％超だけ増加する、
請求項１または２記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項15】

前記半導体レーザ（１０）の放出波長は、１００℃を上回る温度では、温度に伴って減少する、
請求項１または２記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項16】

前記半導体レーザ（１０）の放出波長は、６０℃を上回る温度では、温度に伴って減少する、
請求項１５記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項17】

前記半導体層配列（１１２）は、複数のレーザ素子（１２７_１，１２７_２，１２７_３）を有し、
前記複数のレーザ素子（１２７_１，１２７_２，１２７_３）は、上下に重なり合うように配置されており、接続層（１２８_１，１２８_２）を介して相互に接続されている、
請求項１または２記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項18】

前記半導体層配列の側方の境界は、傾斜させられており、
これにより、生成された電磁放射（１３５）の放出が、前記半導体層配列（１１２）の第１の主表面（１１１）を介して実施されるようになっている、
請求項１または２記載の半導体レーザ（１０）。

【請求項19】

請求項１記載の半導体レーザ（１０）を有する、
ＬＩＤＡＲシステム（１５０）。

【請求項20】

レーザシステム（１６４）であって、
当該レーザシステム（１６４）は、請求項１記載の半導体レーザ（１０）と、さらなるレーザ（１６５）とを有し、
前記さらなるレーザ（１６５）は、前記半導体レーザ（１０）によって光ポンピング可能である、
レーザシステム（１６４）。

【国際調査報告】