JP2005222968A - Surface-emitting laser, wavelength-variable surface-emitting laser device using the same, and method for controlling emission wavelength in surface-emitting laser - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板と活性層との間に下部分布反射層をもち、上部分布反射層を活性層の上側にエアギャップを介して設け、上部分布反射層と下部分布反射層とで光共振器を形成し半導体基板と垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザ、この面発光レーザを用いた波長可変面発光レーザ装置および面発光レーザの発振波長制御方法に関し、詳しくは、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる波長可変な面発光レーザ、この面発光レーザを用いた波長可変面発光レーザ装置および面発光レーザの発振波長制御方法に関するものである。 The present invention has a lower distributed reflective layer between a semiconductor substrate and an active layer, and an upper distributed reflective layer is provided above the active layer via an air gap, and optical resonance occurs between the upper distributed reflective layer and the lower distributed reflective layer. The present invention relates to a surface emitting laser that forms a laser and emits laser light in a direction perpendicular to a semiconductor substrate, a wavelength tunable surface emitting laser device using the surface emitting laser, and a surface emitting laser oscillation wavelength control method. The present invention relates to a wavelength-tunable surface-emitting laser capable of changing the oscillation wavelength at high speed, a wavelength-tunable surface-emitting laser device using the surface-emitting laser, and an oscillation wavelength control method for the surface-emitting laser.
面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は、半導体層を多層膜等で形成された分布反射層で挟み込んだ構造を有するものである。そして、半導体層は、活性層およびこの活性層を挟み込むスペーサ層(クラッド層とも呼ばれる)を含む多層で形成されている。このような面発光レーザは、光通信用光源や光計測用光源として用いられる。そのため、発振波長を変更できる波長可変な面発光レーザの開発が求められている。 2. Description of the Related Art A surface emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) has a structure in which a semiconductor layer is sandwiched between distributed reflection layers formed of a multilayer film or the like. The semiconductor layer is formed of a multilayer including an active layer and a spacer layer (also referred to as a cladding layer) sandwiching the active layer. Such a surface emitting laser is used as a light source for optical communication or a light source for optical measurement. For this reason, development of a wavelength-tunable surface emitting laser capable of changing the oscillation wavelength is demanded.
図5は、広範囲にわたって波長可変な従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図である(例えば、特許文献1参照)。図5において、n型のInP基板10は、半導体基板であり、エッチングによりレーザ光の取り出し口が形成される。下部DBR(Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ反射)層11は、下部分布反射層であり、基板10の上に形成され、例えばn型のInGa(Al)As/InAlAs等の多層構造からなる。高屈折率のInGa(Al)Asは、少量(数%)のAlを入れることによってバンドギャップを広げ、光吸収を防いでいる。下部スペーサ層12は、例えば、n型のInAlAsで、下部DBR層11の上に形成され、下部DBR層11と活性層13との光学距離の調整を行う。
FIG. 5 is a structural cross-sectional view showing an example of a conventional surface emitting laser that is tunable over a wide range (see, for example, Patent Document 1). In FIG. 5, an n-
活性層13は、例えばInGaAlAsで、下部スペーサ層12の上に形成され、多重量子井戸(Multi Quantum Well)等が用いられる。上部スペーサ層14は、例えばp型のInAlAsで、活性層13の上に形成される。上部電極15は、レーザ光を取り出すため中央部が取り除かれ上部スペーサ層14の上に形成される。
The
誘電体多層膜ミラー16は、上部分布反射層であり、例えばSiO2/TiO2からなり、上部スペーサ層14に接しない状態で上部スペーサ層14の上方に形成される。なお、下部DBR層11、誘電体多層膜ミラー16との間で光共振器が形成されている。エアギャップAGは、上部スペーサ層14と誘電体多層膜ミラー16との間の空間である。下部電極17は、基板10の下側(裏面)に形成される。
The dielectric multilayer mirror 16 is an upper distributed reflection layer, and is made of, for example, SiO 2 / TiO 2 and is formed above the upper spacer layer 14 without being in contact with the upper spacer layer 14. An optical resonator is formed between the lower DBR layer 11 and the dielectric multilayer mirror 16. The air gap AG is a space between the upper spacer layer 14 and the dielectric multilayer mirror 16. The
メンブレン18は、例えばSiで、下側(メンブレン18の基板加工時には表面となるが、貼り合わせ後の図5中の方向で説明する)に誘電体多層膜ミラー16が蒸着される。なお、メンブレン18は、MEMS(micro electro-mecanical system:可動部品と電子回路を半導体微細加工技術によって集積した微小な機械システム)であり、上下方向に可動となっている。 The membrane 18 is made of, for example, Si, and the dielectric multilayer mirror 16 is deposited on the lower side (which will be the surface when the substrate of the membrane 18 is processed, but will be described in the direction in FIG. 5 after bonding). The membrane 18 is a MEMS (micro electro-mecanical system: a micro mechanical system in which movable parts and electronic circuits are integrated by a semiconductor micromachining technology), and is movable in the vertical direction.
このような面発光レーザの製造方法を説明する。
基板10上に有機金属気相成長法(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)で、下部DBR層11、下部スペーサ層12、活性層13、上部スペーサ層14を順次形成する。そして、上部スペーサ層14の上にフォトリソグラフィー法およびリフトオフ法を用いて、中央が円形状に取り除かれた上部電極15を形成する。また、基板10を、下部DBR層11の下側の面までエッチングして、中央に円形状となる光の取り出し口を形成する。残った基板10の裏面に下部電極17が形成される。
A method for manufacturing such a surface emitting laser will be described.
A lower DBR layer 11, a lower spacer layer 12, an
一方、化合物半導体とは別に、図示しないSiの基板にメンブレン18を形成し、下側に誘電体多層膜ミラー16を蒸着する。 On the other hand, a membrane 18 is formed on a Si substrate (not shown) separately from the compound semiconductor, and a dielectric multilayer mirror 16 is deposited on the lower side.
そして、上部スペーサ層14の上に設けられた電極15と図示しないSiの基板とを貼り合わせる(例えば、ハンダや接着剤等)。 Then, the electrode 15 provided on the upper spacer layer 14 is bonded to a Si substrate (not shown) (for example, solder or adhesive).
次に、図5に示す従来例の動作を説明する。
まず、レーザ光を発光させる動作を説明する。
上部電極15と下部電極17との間に電圧が印加されると上部電極15から、上部スペーサ層14、活性層13、下部スペーサ層12、下部DBR層11及び基板10を通り下部電極17まで電流が流れる。
Next, the operation of the conventional example shown in FIG. 5 will be described.
First, an operation for emitting laser light will be described.
When a voltage is applied between the upper electrode 15 and the
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層13において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて基板10の取り出し口(つまり、基板10の裏面)からレーザ光として出射される。
At this time, holes and electrons are coupled in the
なお、図5において、注入された電流は上部電極15から下部電極17に向って流れるので、発光領域である活性層13の上下方向から注入されているが、発光領域の横方向から電流を注入しても構わない。
In FIG. 5, since the injected current flows from the upper electrode 15 toward the
このように、化合物半導体の基板10上に形成された下部DBR層11と、活性層13の上側にエアギャップAGを介して貼り合わせた誘電体多層膜ミラー16とで光共振器を形成し、面発光レーザとして機能させている。
In this way, an optical resonator is formed by the lower DBR layer 11 formed on the
続いて、発振波長を変更させる動作を説明する。
図示しないSiの基板に設けられる電極に電圧を加えると、静電気力が発生する。この静電気力を駆動力としてメンブレン18が上下に移動する。すなわち、誘電体多層膜ミラー16も上下に移動するので、光共振器長(つまり、光共振器の間隔)が変化し、発振波長が変更される。
Next, an operation for changing the oscillation wavelength will be described.
When a voltage is applied to an electrode provided on a Si substrate (not shown), an electrostatic force is generated. The membrane 18 moves up and down using this electrostatic force as a driving force. That is, since the dielectric multilayer mirror 16 also moves up and down, the optical resonator length (that is, the interval between the optical resonators) changes, and the oscillation wavelength is changed.
次に、エアギャップAGを設けずに、発振波長を変更する面発光レーザの従来例を説明する。図6は、従来の面発光レーザのその他の例を示す構成断面図である(例えば、特許文献2参照)。半導体基板20の上に、下部DBR層(下部分布反射層)21、下部スペーサ層22、活性層23、上部スペーサ層24、コンタクト層25、多重量子井戸層26、上部DBR層(上部分布反射層)27が形成される。
Next, a conventional example of a surface emitting laser that changes the oscillation wavelength without providing the air gap AG will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of a conventional surface emitting laser (see, for example, Patent Document 2). On the semiconductor substrate 20, a lower DBR layer (lower distributed reflective layer) 21, a lower spacer layer 22, an active layer 23, an upper spacer layer 24, a
ここで、多重量子井戸層26は、屈折率制御層である。また、多重量子井戸層26の吸収端波長は、活性層23の吸収端波長よりも短波長側になる。 Here, the multiple quantum well layer 26 is a refractive index control layer. The absorption edge wavelength of the multiple quantum well layer 26 is shorter than the absorption edge wavelength of the active layer 23.
さらに、上部DBR層27、多重量子井戸層26は、面発光する中心部を残してコンタクト層25まで周囲がエッチングされている。そして、上部DBR層27、コンタクト層25それぞれの上に、上部電極28a、28bが設けられ、基板の裏面には、下部電極29が設けられる。
Further, the periphery of the upper DBR layer 27 and the multiple quantum well layer 26 is etched up to the
このような図6に示す従来例の動作を説明する。
上部電極28bと下部電極29とに、上部電極28bが高電位となるように電圧を印加する。これにより、上部電極28bから下部電極29に電流が流れ、活性層23でレーザ発振し、レーザ光が出射される。
The operation of the conventional example shown in FIG. 6 will be described.
A voltage is applied to the upper electrode 28b and the lower electrode 29 so that the upper electrode 28b has a high potential. As a result, a current flows from the upper electrode 28b to the lower electrode 29, laser oscillation occurs in the active layer 23, and laser light is emitted.
ここで、上部電極28aに上部電極28bよりも低電位となる所定の電圧を印加して、多重量子井戸層26に電界を印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果(Quantum-confined Stark Effect)によって多重量子井戸層26の屈折率が変化する。これにより、光共振器の実効的な光路長が変化して、発振波長が変更される。 Here, when a predetermined voltage that is lower than the upper electrode 28b is applied to the upper electrode 28a and an electric field is applied to the multiple quantum well layer 26, multiple quantum wells are generated by a quantum confined Stark effect. The refractive index of layer 26 changes. This changes the effective optical path length of the optical resonator and changes the oscillation wavelength.
図5に示す構造の面発光レーザは、エアギャップAGがあるので、誘電体多層膜ミラー16を上下に大きく移動させる(つまり、エアギャップAGの間隔を変化させる)ことができる。これにより、エアギャップAGを有しない図6に示す面発光レーザと比較して、広い波長範囲(例えば、数十[nm])にわたって連続的に発振波長を変更でき、波長可変面発光レーザとして動作することができる。 Since the surface emitting laser having the structure shown in FIG. 5 has the air gap AG, the dielectric multilayer mirror 16 can be moved largely up and down (that is, the interval of the air gap AG can be changed). As a result, the oscillation wavelength can be continuously changed over a wide wavelength range (for example, several tens [nm]) as compared with the surface emitting laser shown in FIG. 6 having no air gap AG, and operates as a wavelength tunable surface emitting laser. can do.
しかしながら、メンブレン18を静電気力で機械的に可動するので、発振波長の変更に数[ms]の時間がかかり、非常に遅いという問題があった。図7を用いて説明する。図7は、図5に示す面発光レーザの発振波長を変更している時の特性を示した図である。図7において、横軸は、時間であり、縦軸は、発振波長である。また、波長λ0は、現在の波長であり、波長λ1は、目標の発振波長であり、目標波長範囲λsは、目標の発振波長λ1の±Δλの波長範囲である。通常、目標波長範囲λsに面発光レーザの発振波長が収まるまでが、変更時間(または切替時間)と呼ばれる。 However, since the membrane 18 is mechanically moved by electrostatic force, it takes a few [ms] to change the oscillation wavelength, and there is a problem that it is very slow. This will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram showing characteristics when the oscillation wavelength of the surface emitting laser shown in FIG. 5 is changed. In FIG. 7, the horizontal axis is time, and the vertical axis is the oscillation wavelength. The wavelength λ0 is the current wavelength, the wavelength λ1 is the target oscillation wavelength, and the target wavelength range λs is the wavelength range of ± Δλ of the target oscillation wavelength λ1. Usually, the time until the oscillation wavelength of the surface emitting laser falls within the target wavelength range λs is called a change time (or switching time).
図7に示すように、高速にメンブレン18を目標の発振波長λ1となる位置に移動させると、大きなハンチングが発生して長い時間に渡って発振波長変動を起こし、目標波長範囲λsに収まるまで時間がかかる。逆に、低速にメンブレン18を移動させると、ハンチングはほとんど発生しないが、やはり目標波長範囲λsに収まるまで時間がかかる。仮にメンブレン18を移動させる速度を最適にしても、発振波長変動が目標波長範囲λsに収まるまでに数[ms]の時間がかかり、発振波長の変更が非常に遅いという問題があった。 As shown in FIG. 7, when the membrane 18 is moved at a high speed to a position where the target oscillation wavelength λ1 is reached, large hunting occurs, causing oscillation wavelength fluctuation over a long period of time, and the time until it falls within the target wavelength range λs. It takes. Conversely, if the membrane 18 is moved at a low speed, hunting hardly occurs, but it still takes time until it falls within the target wavelength range λs. Even if the speed at which the membrane 18 is moved is optimized, there is a problem that it takes a few [ms] for the oscillation wavelength fluctuation to fall within the target wavelength range λs, and the change of the oscillation wavelength is very slow.
一方、図6に示す構造の面発光レーザは、電気的に多重量子井戸層26の屈折率を変化させるので、高速(例えば、数[ns])に発振波長の変更を行うことができる。 On the other hand, since the surface emitting laser having the structure shown in FIG. 6 electrically changes the refractive index of the multiple quantum well layer 26, the oscillation wavelength can be changed at high speed (for example, several [ns]).
しかしながら、屈折率の変化量が限られるため、発振波長を変更できる波長範囲が数[nm]程度と、非常に狭いという問題があった。 However, since the amount of change in the refractive index is limited, there is a problem that the wavelength range in which the oscillation wavelength can be changed is as narrow as several [nm].
そこで本発明の目的は、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる面発光レーザ、この面発光レーザを用いた波長可変面発光レーザ装置および面発光レーザの発振波長制御方法を実現することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to realize a surface emitting laser capable of changing the oscillation wavelength at high speed over a wide wavelength range, a wavelength tunable surface emitting laser device using the surface emitting laser, and a method for controlling the oscillation wavelength of the surface emitting laser. There is.
請求項1記載の発明は、
半導体基板と活性層との間に下部分布反射層をもち、上部分布反射層を前記活性層の上側にエアギャップを介して設け、前記上部分布反射層と前記下部分布反射層とで光共振器を形成し前記半導体基板と垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザであって、
前記光共振器内部に設けられ、屈折率が変化する屈折率制御層を有する屈折率制御部を具備し、
前記上部分布反射層は、半導体微細加工技術によって形成され上下方向に可動であることを特徴とするものである。
The invention described in
A lower distributed reflective layer is provided between the semiconductor substrate and the active layer, an upper distributed reflective layer is provided above the active layer via an air gap, and an optical resonator is formed by the upper distributed reflective layer and the lower distributed reflective layer. A surface emitting laser that emits laser light in a direction perpendicular to the semiconductor substrate,
A refractive index control unit having a refractive index control layer provided inside the optical resonator and having a refractive index that changes,
The upper distributed reflection layer is formed by a semiconductor microfabrication technique and is movable in the vertical direction.
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、
屈折率制御部は、前記エアギャップに接して設けられることを特徴とするものである。
The invention according to
The refractive index control unit is provided in contact with the air gap.
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の発明において、
屈折率制御部は、前記活性層と前記下部分布反射層とを少なくとも有する化合物半導体の表面にモノリシックに集積されることを特徴とするものである。
The invention according to
The refractive index control unit is monolithically integrated on the surface of the compound semiconductor having at least the active layer and the lower distributed reflection layer.
請求項4記載の発明は、請求項1または2記載の発明において、
屈折率制御部は、前記活性層と前記下部分布反射層とを少なくとも有する化合物半導体および前記上部分布反射層のそれぞれとは別チップに形成され、前記化合物半導体表面または前記上部分布反射層に貼り合わされることを特徴とするものである。
The invention according to
The refractive index control unit is formed in a separate chip from each of the compound semiconductor having at least the active layer and the lower distributed reflective layer and the upper distributed reflective layer, and is bonded to the surface of the compound semiconductor or the upper distributed reflective layer. It is characterized by that.
請求項5記載の発明は、請求項1〜4のいずれかに記載の発明において、
屈折率制御部の屈折率制御層は、電流注入または電圧印加により屈折率変化する半導体接合層であることを特徴とするものである。
The invention according to
The refractive index control layer of the refractive index control unit is a semiconductor junction layer whose refractive index changes by current injection or voltage application.
請求項6記載の発明は、請求項1〜4のいずれかに記載の発明において、
屈折率制御部は、ショットキー電極を有し、
前記屈折率制御部の屈折率制御層は、前記ショットキー電極と接合され、半導体−金属ショットキー接合を構成し、電圧印加により屈折率変化することを特徴とするものである。
The invention according to
The refractive index control unit has a Schottky electrode,
The refractive index control layer of the refractive index control unit is bonded to the Schottky electrode to form a semiconductor-metal Schottky junction, and the refractive index is changed by voltage application.
請求項7記載の発明は、請求項1〜4のいずれかに記載の発明において、
屈折率制御部は、絶縁体と金属とで構成されたMIS構造の電極を有し、
前記屈折率制御部の屈折率制御層は、前記MIS構造の電極と接合され、電圧印加により屈折率変化することを特徴とするものである。
The invention according to claim 7 is the invention according to any one of
The refractive index control unit has a MIS structure electrode composed of an insulator and a metal,
The refractive index control layer of the refractive index control unit is bonded to the MIS structure electrode, and changes the refractive index when a voltage is applied.
請求項8記載の発明は、請求項1〜7のいずれかに記載の発明において、
屈折率制御部は、前記上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減することを特徴とするものである。
The invention according to claim 8 is the invention according to any one of
The refractive index control unit is characterized by reducing oscillation wavelength fluctuation caused by movement of the upper distributed reflection layer in the vertical direction.
請求項9記載の発明は、
請求項1〜8のいずれかに記載の面発光レーザと、
この面発光レーザからのレーザ光の波長によって、前記面発光レーザの屈折率制御部の屈折率を制御して前記面発光レーザの発振波長を変更する発振波長微調整回路と、
前記面発光レーザの上部分布反射層の上下方向の位置を制御して前記面発光レーザの発振波長を変更する発振波長粗調整回路と
を有し、前記発振波長微調整回路は、前記上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減することを特徴とするものである。
The invention according to claim 9
A surface emitting laser according to any one of
An oscillation wavelength fine adjustment circuit that changes the oscillation wavelength of the surface emitting laser by controlling the refractive index of the refractive index control unit of the surface emitting laser according to the wavelength of the laser light from the surface emitting laser,
An oscillation wavelength rough adjustment circuit that changes an oscillation wavelength of the surface emitting laser by controlling a vertical position of the upper distributed reflection layer of the surface emitting laser, and the oscillation wavelength fine tuning circuit includes the upper distributed reflection It is characterized in that oscillation wavelength fluctuations caused by movement of the layer in the vertical direction are reduced.
請求項10記載の発明は、
請求項1〜8のいずれかに記載の面発光レーザの発振波長制御方法において、
前記面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させて光共振器の間隔を変化させ発振波長を変更させると共に、前記面発光レーザの屈折率制御部の屈折率を変化させて光共振器の実効的な光路長を変化させ発振波長を変更させることを特徴とするものである。
The invention according to
In the surface-emitting laser oscillation wavelength control method according to any one of
The upper distributed reflection layer of the surface emitting laser is moved up and down to change the interval between the optical resonators to change the oscillation wavelength, and the refractive index of the refractive index control unit of the surface emitting laser is changed to change the optical resonator. The oscillation wavelength is changed by changing the effective optical path length.
請求項11記載の発明は、
請求項1〜8のいずれかに記載の面発光レーザの発振波長制御方法において、
前記面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させて光共振器の間隔を変化させ発振波長を変更し、
前記面発光レーザからのレーザ光の波長によって、前記面発光レーザの屈折率制御部の屈折率を変化させて光共振器の実効的な光路長を変化させ、前記上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減することを特徴とするものである。
The invention according to claim 11
In the surface-emitting laser oscillation wavelength control method according to any one of
Change the oscillation wavelength by moving the upper distributed reflection layer of the surface emitting laser in the vertical direction to change the interval between the optical resonators,
Depending on the wavelength of the laser light from the surface emitting laser, the refractive index of the refractive index control unit of the surface emitting laser is changed to change the effective optical path length of the optical resonator, so that the upper distributed reflection layer is moved in the vertical direction. It is characterized in that the oscillation wavelength fluctuation generated by the movement of is reduced.
本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項1〜8によれば、上部分布反射層が上下方向に移動して広い波長範囲わたって発振波長を変更し、屈折率制御部が上部分布反射層とは独立して高速に発振波長を変更する。さらに、上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減する。これにより、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる。
The present invention has the following effects.
According to the first to eighth aspects, the upper distributed reflection layer moves in the vertical direction to change the oscillation wavelength over a wide wavelength range, and the refractive index control unit sets the oscillation wavelength at a high speed independently of the upper distributed reflection layer. change. Furthermore, oscillation wavelength fluctuations caused by the vertical movement of the upper distributed reflection layer are reduced. Thereby, the oscillation wavelength can be changed at high speed over a wide wavelength range.
また、使用環境の影響(例えば、振動、温度変動、衝撃)によって、上部分布反射層が上下方向に移動しても、屈折率制御部が上部分布反射層とは独立して高速に発振波長を変更する。さらに、屈折率制御部が上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減するので、波長が安定したレーザ光を出射することができる。 In addition, even if the upper distributed reflection layer moves in the vertical direction due to the influence of the usage environment (for example, vibration, temperature fluctuation, impact), the refractive index control unit can quickly oscillate the oscillation wavelength independently of the upper distributed reflection layer. change. Furthermore, since the refractive index control unit reduces oscillation wavelength fluctuations caused by the movement of the upper distributed reflection layer in the vertical direction, it is possible to emit laser light having a stable wavelength.
請求項3によれば、屈折率制御部がモノリシックに集積されるので、低コストで作成することができる。 According to the third aspect, since the refractive index control unit is monolithically integrated, it can be produced at a low cost.
請求項4によれば、屈折率制御部が、化合物半導体表面にモノリシックに集積されず、別チップとして作成され貼り合わされるので、化合物半導体表面との格子整合を考慮する必要がない。これにより、材料の選択の幅がひろがり、最適な材料で屈折率制御部を形成することができる。 According to the fourth aspect, since the refractive index control unit is not monolithically integrated on the surface of the compound semiconductor, but is formed and bonded as a separate chip, it is not necessary to consider lattice matching with the surface of the compound semiconductor. As a result, the selection range of the material is widened, and the refractive index control unit can be formed of an optimum material.
請求項9によれば、発振波長粗調整回路が、面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させて発振波長を変更する。そして、発振波長微調整回路が、面発光レーザからのレーザ光の波長に基づいて屈折率制御部の屈折率を変化させ、上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減する。これにより、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる。 According to the ninth aspect, the oscillation wavelength coarse adjustment circuit changes the oscillation wavelength by moving the upper distributed reflection layer of the surface emitting laser in the vertical direction. The oscillation wavelength fine adjustment circuit changes the refractive index of the refractive index control unit based on the wavelength of the laser light from the surface emitting laser, and reduces oscillation wavelength fluctuations caused by the vertical movement of the upper distributed reflection layer. To do. Thereby, the oscillation wavelength can be changed at high speed over a wide wavelength range.
また、使用環境の影響によって、上部分布反射層が上下方向に移動しても、発振波長微調整回路が面発光レーザからのレーザ光の波長に基づいて屈折率制御部の屈折率を変化させる。これにより、上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減するので、波長が安定したレーザ光を出射することができる。 Even if the upper distributed reflection layer moves in the vertical direction due to the influence of the use environment, the oscillation wavelength fine adjustment circuit changes the refractive index of the refractive index control unit based on the wavelength of the laser light from the surface emitting laser. As a result, the oscillation wavelength fluctuation caused by the movement of the upper distributed reflection layer in the vertical direction is reduced, so that laser light with a stable wavelength can be emitted.
請求項10によれば、面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させると共に、屈折率制御部の屈折率を変化させて発振波長を変更させる。これにより、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる。 According to the tenth aspect, the upper distributed reflection layer of the surface emitting laser is moved in the vertical direction, and the oscillation wavelength is changed by changing the refractive index of the refractive index control unit. Thereby, the oscillation wavelength can be changed at high speed over a wide wavelength range.
請求項11によれば、面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させて発振波長を変更する。また、面発光レーザからのレーザ光の波長に基づいて屈折率制御部の屈折率を変化させ、上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減する。これにより、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる。 According to the eleventh aspect, the oscillation wavelength is changed by moving the upper distributed reflection layer of the surface emitting laser in the vertical direction. In addition, the refractive index of the refractive index control unit is changed based on the wavelength of the laser light from the surface emitting laser, thereby reducing oscillation wavelength fluctuations caused by the vertical movement of the upper distributed reflection layer. Thereby, the oscillation wavelength can be changed at high speed over a wide wavelength range.
また、使用環境の影響(例えば、振動、温度変動、衝撃)によって、上部分布反射層が上下方向に移動しても、屈折率制御部の屈折率を変化させて上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減するので、波長が安定したレーザ光を出射することができる。 Further, even if the upper distributed reflection layer moves in the vertical direction due to the influence of the usage environment (for example, vibration, temperature fluctuation, impact), the refractive index of the refractive index control unit is changed to move the upper distributed reflection layer in the vertical direction. Since the oscillation wavelength fluctuation generated by the movement of the laser beam is reduced, it is possible to emit a laser beam having a stable wavelength.
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
[第一の実施例]
図1は、本発明の第一の実施例を示す構成断面図である。ここで、図5と同一のものには同一符号を付し説明を省略する。
図1において、分離層19が、下部DBR層11や活性層13等からなる化合物半導体の表面(図1中、化合物半導体のエピ層となる上部スペーサ層14の表面)の上に新たに形成される。また、分離層19は、電気的な絶縁を行うものであり、例えば、pn接合層または高抵抗層である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First embodiment]
FIG. 1 is a structural sectional view showing a first embodiment of the present invention. Here, the same components as those in FIG.
In FIG. 1, a separation layer 19 is newly formed on the surface of a compound semiconductor composed of the lower DBR layer 11 and the active layer 13 (in FIG. 1, the surface of the upper spacer layer 14 serving as an epi layer of the compound semiconductor). The The isolation layer 19 performs electrical insulation, and is, for example, a pn junction layer or a high resistance layer.
屈折率制御部30が、下部DBR層11、誘電体多層膜ミラー16とで形成される光共振器内部のエアギャップAGに接して新たに設けられる。また、屈折率制御部30は、n型のコンタクト層31、多重量子井戸層32、p型のコンタクト層33、屈折率制御用の上部電極34、屈折率制御用の下部電極35を有する。
A refractive
n型のコンタクト層31は、分離層19の上に形成される。なお、この分離層19によってレーザ光を発光する化合物半導体と屈折率制御部30とが電気的に絶縁されている。多重量子井戸層32は、n型のコンタクト層31の上に形成される。ここで、多重量子井戸層32は、屈折率制御層である。また、多重量子井戸層32の吸収端波長は、活性層13の吸収端波長よりも短波長側になる。つまり、多重量子井戸層32は、活性層13の発振波長に対して、透明になるバンドキャップをもつ。
The n-type contact layer 31 is formed on the separation layer 19. The separation layer 19 electrically insulates the compound semiconductor that emits laser light from the refractive
p型のコンタクト層33は、多重量子井戸層32の上に形成される。屈折率制御用の上部電極34は、レーザ光を取り出すため中央部が取り除かれp型のコンタクト層33の上に形成される。屈折率制御用の下部電極35は、メサ加工されて多重量子井戸層32、p型のコンタクト層33が取り除かれたn型のコンタクト層31の周辺部の上に形成される。 The p-type contact layer 33 is formed on the multiple quantum well layer 32. The upper electrode 34 for controlling the refractive index is formed on the p-type contact layer 33 with the central portion removed to extract laser light. The lower electrode 35 for controlling the refractive index is formed on the periphery of the n-type contact layer 31 from which the multi-quantum well layer 32 and the p-type contact layer 33 are removed by mesa processing.
このような面発光レーザの製造方法を説明する。
基板10上に有機金属気相成長法で、下部DBR層11、下部スペーサ層12、活性層13、上部スペーサ層14、分離層19、n型のコンタクト層31、多重量子井戸層32、p型のコンタクト層33を順次エピタキシャル成長させて形成する。その後、光の取り出し口が形成される部分を除き、エッチングでn型のコンタクト層31、多重量子井戸層32、p型のコンタクト層33の周辺部をエッチングしてメサ加工する。なお、n型のコンタクト層31の途中までエッチングする。
A method for manufacturing such a surface emitting laser will be described.
Lower DBR layer 11, lower spacer layer 12,
そして、中央が円形状に取り除かれた屈折率制御用の上部電極34をp型のコンタクト層33の上に形成する。また、n型のコンタクト層31の周辺部の上に屈折率制御用の下部電極35を形成する。 Then, the upper electrode 34 for controlling the refractive index, the center of which is removed in a circular shape, is formed on the p-type contact layer 33. A lower electrode 35 for controlling the refractive index is formed on the periphery of the n-type contact layer 31.
さらに周辺部のn型のコンタクト層31、分離層19をエッチングした後、上部スペーサ層14の上にフォトリソグラフィー法およびリフトオフ法を用いて、中央が円形状に取り除かれた上部電極(レーザダイオード用)15を形成する。また、基板10を、下部DBR層11の下側の面までエッチングして、中央に円形状となる光の取り出し口を形成する。残った基板10の裏面に下部電極(レーザダイオード用)17が形成される。
Further, after etching the n-type contact layer 31 and the separation layer 19 in the peripheral portion, the upper electrode (for laser diode) whose center is removed in a circular shape on the upper spacer layer 14 by using a photolithography method and a lift-off method. ) 15 is formed. In addition, the
一方、化合物半導体とは別に、図示しないSiの基板にメンブレン18を形成し、下側に誘電体多層膜ミラー16を蒸着する。 On the other hand, a membrane 18 is formed on a Si substrate (not shown) separately from the compound semiconductor, and a dielectric multilayer mirror 16 is deposited on the lower side.
そして、屈折率制御部30付きの化合物半導体上の電極15と図示しないSiの基板とを貼り合わせ(例えば、ハンダや接着剤等)、エアギャップAGを形成する。
Then, the electrode 15 on the compound semiconductor with the refractive
次に、図1に示す面発光レーザの動作を説明する。
レーザ光を発光させる動作は図5に示す面発光レーザと同様なので説明を省略し、発振波長を変更する動作を説明する。また、図2は、図1に示す面発光レーザの発振波長を変更している時の特性を示した図である。ここで、図1と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。図2において、横軸は、時間であり、縦軸は、発振波長である。また、波長範囲λ2は、屈折率制御部30が波長可変な波長範囲である。そして、図2(a)はMEMSによってメンブレン18、誘電体多層膜ミラー16を上下に移動させることによる発振波長変化の寄与分、すなわち屈折率制御部30を用いないで発振波長を変更させたときの例を示した図である。図2(b)は屈折率制御部30の多重量子井戸層32の屈折率を変化させることによる発振波長変化の寄与分の例を示した図である。図2(c)は面発光レーザが出射するレーザ光の発振波長の特性例である。
Next, the operation of the surface emitting laser shown in FIG. 1 will be described.
Since the operation for emitting laser light is the same as that of the surface emitting laser shown in FIG. 5, the description is omitted, and the operation for changing the oscillation wavelength will be described. FIG. 2 is a diagram showing characteristics when the oscillation wavelength of the surface emitting laser shown in FIG. 1 is changed. Here, the same components as those shown in FIG. In FIG. 2, the horizontal axis is time, and the vertical axis is the oscillation wavelength. The wavelength range λ2 is a wavelength range in which the refractive
図示しないSiの基板に設けられる電極に電圧を加えると、静電気力が発生する。この静電気力を駆動力としてメンブレン18が上下に移動する。すなわち、誘電体多層膜ミラー16も上下に移動するので、光共振器の間隔が変化し、発振波長が変更される。なお、メンブレン18を目標の発振波長λ1となる位置に移動させる際、図2(a)に示すようにハンチングが波長範囲λ2に最も早く収まる速度で移動させるとよい。 When a voltage is applied to an electrode provided on a Si substrate (not shown), an electrostatic force is generated. The membrane 18 moves up and down using this electrostatic force as a driving force. That is, since the dielectric multilayer mirror 16 also moves up and down, the interval between the optical resonators changes, and the oscillation wavelength is changed. When moving the membrane 18 to a position where the target oscillation wavelength λ1 is obtained, it is preferable to move the membrane 18 at a speed at which hunting is fastest within the wavelength range λ2, as shown in FIG.
また、メンブレン18が上下に移動すると共に、屈折率制御部30に設けられる屈折率制御用の上部電極34、屈折率制御用の下部電極35に電圧を印加して、多重量子井戸層32に電界を印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果によって(例えば、田中俊一編者、他2名、「オプトエレクトロニクス用語辞典」、第1版、株式会社オーム社、平成8年11月、p567参照)、量子井戸構造中に閉じ込められた電子、正孔の波動関数および量子井戸順位が変化する。そのため、印加される電圧の増大とともに、励起子吸収のピークが長波長側に推移し、多重量子井戸層32の屈折率が変化する。これにより、光共振器の実効的な光路長が変化して、発振波長が変更される。この際、図2(b)に示すように誘電体多層膜ミラー16の上下方向への移動によって発生する発振波長変動とは逆の方向に発振波長を変更させる。すなわち、屈折率制御部30による広い波長範囲にわたる発振波長の変更と、誘電体多層膜ミラー16による高速な発振波長の変更とを別々に行う。
Further, while the membrane 18 moves up and down, a voltage is applied to the upper electrode 34 for refractive index control and the lower electrode 35 for refractive index control provided in the refractive
従って、MEMSによって誘電体多層膜ミラー16を上下方向に移動させて光共振器の間隔を変化させ発振波長を変更すると共に、屈折率制御部30の屈折率を変化させて光共振器の実効的な光路長を変化させ発振波長を変更する。その結果、図2(c)に示すように、面発光レーザの発振波長は、ハンチングがキャンセルされ、素早く目標波長範囲λs(=λ1±Δλ)に収まる。
Therefore, the dielectric multilayer mirror 16 is moved up and down by MEMS to change the interval between the optical resonators to change the oscillation wavelength, and the refractive index of the refractive
このように、誘電体多層膜ミラー16が上下方向に移動して広い波長範囲わたって発振波長を大きく変更する。また、屈折率制御部30が、誘電体多層膜ミラー16による発振波長の変更とは独立して高速に発振波長を変更する。さらに、屈折率制御部30が誘電体多層膜ミラー16の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減する。これにより、広い波長範囲にわたって高速(例えば、数[μs])に発振波長を変更することができる。
In this way, the dielectric multilayer mirror 16 moves in the vertical direction to greatly change the oscillation wavelength over a wide wavelength range. In addition, the refractive
また、屈折率制御部30がモノリシックに集積されるので、低コストで作成することができる。
Further, since the refractive
[第二の実施例]
面発光レーザの構造には、図1に示す構成の他にも様々なものがあるが、光共振器内部にエアギャップを有する面発光レーザには、本発明を適用することが可能である。続いて、本発明の第二の実施例を示す。図3は本発明の第二の実施例を示した構成断面図である。ここで、図1と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図1に示す面発光レーザは、上部スペーサ層14にp型を用いているため、素子抵抗が高く、光吸収も大きい。そこでn型の領域を多くした面発光レーザに本発明を適用した例である。
[Second Example]
There are various surface emitting laser structures in addition to the configuration shown in FIG. 1, but the present invention can be applied to a surface emitting laser having an air gap inside the optical resonator. Then, the 2nd Example of this invention is shown. FIG. 3 is a structural sectional view showing a second embodiment of the present invention. Here, the same components as those in FIG. Since the surface emitting laser shown in FIG. 1 uses p-type for the upper spacer layer 14, the element resistance is high and the light absorption is also large. Therefore, this is an example in which the present invention is applied to a surface emitting laser having an increased n-type region.
図3において、p型の上部スペーサ層14と上部電極15との間に下から順に、高濃度のp型のInGaAsPまたはInGaAlAs等のトンネル接合層40、高濃度のn型のInGaAs等のトンネル接合層41、n型のInGaAsP等のスペーサ層42、n型のInGaAsP等のコンタクト層43が設けられる。また、イオン注入領域44は、上部スペーサ層14、トンネル接合層40、41の周辺部に設けられる。 In FIG. 3, between the p-type upper spacer layer 14 and the upper electrode 15, a tunnel junction layer 40 of high-concentration p-type InGaAsP or InGaAlAs, a tunnel junction of high-concentration n-type InGaAs, or the like in order from the bottom. A layer 41, a spacer layer 42 such as n-type InGaAsP, and a contact layer 43 such as n-type InGaAsP are provided. The ion implantation region 44 is provided in the periphery of the upper spacer layer 14 and the tunnel junction layers 40 and 41.
そして、化合物半導体表面(図3中、化合物半導体のエピ層となるコンタクト層43の上面)に上に、分離層19、屈折率制御部30が形成される。
Then, the separation layer 19 and the refractive
このような面発光レーザの製造方法を説明する。図1と異なる点を主に説明する。
基板10上に有機金属気相成長法で、下部DBR層11、下部スペーサ層12、活性層13、上部スペーサ層14が形成される。そして、この上部スペーサ層14の上に、p型のトンネル接合層40、n型のトンネル接合層41が順次形成され、トンネル接合を形成する。
A method for manufacturing such a surface emitting laser will be described. Differences from FIG. 1 will be mainly described.
A lower DBR layer 11, a lower spacer layer 12, an
この状態で、中心部分をマスキングして、その他の領域(周辺部分)に重たい元素(例えば、酸素、フッ素、珪素、鉄、アルミニウム、クロム等、またはこれらを組み合わせたもの)を上部スペーサ層14に達するまでイオン注入して高抵抗化されたイオン注入領域44を形成する。 In this state, the central portion is masked, and heavy elements (for example, oxygen, fluorine, silicon, iron, aluminum, chromium, or a combination thereof) in other regions (peripheral portions) are applied to the upper spacer layer 14. Ions are implanted until the resistance is reached, thereby forming an ion implantation region 44 having a high resistance.
その後、n型のトンネル接合層41の上にn型のスペーサ層42、コンタクト層43、分離層19、n型のコンタクト層31、多重量子井戸層32、p型のコンタクト層33を順次形成する。そして、メサ加工と屈折率制御用の電極34、35、レーザダイオード用の電極15、17を形成する。もちろん、上部電極15は、コンタクト層43の上に形成される。
Thereafter, an n-type spacer layer 42, a contact layer 43, a separation layer 19, an n-type contact layer 31, a multiple quantum well layer 32, and a p-type contact layer 33 are sequentially formed on the n-type tunnel junction layer 41. . Then, electrodes 34 and 35 for mesa processing and refractive index control and
続いて、図3に示す面発光レーザの動作を説明する。図1と異なる点を主に説明する。
上部電極15と下部電極17との間に電圧が印加されると上部電極15から、コンタクト層43、スペーサ層42を経て、イオン注入領域44を避けた低抵抗部分の中央部分のトンネル接合層41へ電流(電子)が流れ、トンネル接合層40で正孔に変換され、上部スペーサ層14、活性層13に電流(正孔)が流れる。さらに、活性層13、下部スペーサ層12、下部DBR層11及び基板10を通り下部電極17まで電流(電子)が流れる。
Next, the operation of the surface emitting laser shown in FIG. 3 will be described. Differences from FIG. 1 will be mainly described.
When a voltage is applied between the upper electrode 15 and the
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層13において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて基板10の取り出し口(つまり、基板10の裏面)からレーザ光として出射される。
At this time, holes and electrons are coupled in the
そして、上部スペーサ層14と下部スペーサ層12の膜厚は、活性層13に定在波の腹が、トンネル接合部分に定在波の節がくるように調整される。また、スペーサ層42、コンタクト層43、屈折率制御部30のコンタクト層31、33の膜厚は、エアギャップAGとの境界面および多重量子井戸層32に定在波の腹がくるように調整される。すなわち、上部スペーサ層14、下部スペーサ層12、スペーサ層42、コンタクト層43、屈折率制御部30のコンタクト層31、33の膜厚でレーザ光の位相調整を行う。
The film thicknesses of the upper spacer layer 14 and the lower spacer layer 12 are adjusted so that the antinodes of the standing wave come to the
また、誘電体多層膜ミラー16と屈折率制御部30によって発振波長を変更させる動作は図1に示す面発光レーザと同様なので説明を省略する。
The operation of changing the oscillation wavelength by the dielectric multilayer mirror 16 and the
このように、誘電体多層膜ミラー16が上下方向に移動して広い波長範囲わたって発振波長を大きく変更する。また、屈折率制御部30が、誘電体多層膜ミラー16による発振波長の変更とは独立して高速に発振波長を変更する。さらに、屈折率制御部30が誘電体多層膜ミラー16の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減する。これにより、広い波長範囲にわたって高速(例えば、数[μs])に発振波長を変更することができる。
In this way, the dielectric multilayer mirror 16 moves in the vertical direction to greatly change the oscillation wavelength over a wide wavelength range. In addition, the refractive
また、屈折率制御部30がモノリシックに集積されるので、低コストで作成することができる。
Further, since the refractive
[第三の実施例]
続いて、図1または図3に示す面発光レーザを用いた波長可変面発光レーザ装置を説明する。図4は、本発明の第三の実施例(波長可変面発光レーザ装置)を示した構成図である。ここで、図1〜図3と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図4において、面発光レーザ100は、図1または図3に示す面発光レーザである。
[Third embodiment]
Next, a wavelength tunable surface emitting laser device using the surface emitting laser shown in FIG. 1 or 3 will be described. FIG. 4 is a block diagram showing a third embodiment (wavelength tunable surface emitting laser device) of the present invention. Here, the same components as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In FIG. 4, a
発振波長微調整回路(以下、微調整回路と略す)50は、受光手段51、屈折率制御部30用の駆動手段52を有し、フィードバック回路を構成している。そして、微調整回路50は、本装置の出力光として面発光レーザ100から出射されるレーザ光の一部を受光し、受光したレーザ光の波長に基づいて、屈折率制御部30の屈折率を制御する。受光手段51は、例えば、分光器であり、面発光レーザ100から出射されるレーザ光の一部を受光してレーザ光の発振波長を測定する。駆動手段52は、受光手段51の測定結果によって、屈折率制御部30の屈折率を制御する。
An oscillation wavelength fine adjustment circuit (hereinafter abbreviated as a fine adjustment circuit) 50 includes a light receiving means 51 and a drive means 52 for the refractive
発振波長粗調整回路(以下、粗調整回路と略す)60は、メモリ61、MEMSを駆動する駆動手段62を有し、メンブレン18、誘電体多層膜ミラー16を上下に移動させる。メモリ61は、発振波長を変更させるために印加する電圧に関するデータが記憶される。駆動手段62は、メモリ61のデータに従って、MEMSに電圧を印加してメンブレン18、誘電体多層膜ミラー16を上下方向に移動させる。 An oscillation wavelength coarse adjustment circuit (hereinafter, abbreviated as a coarse adjustment circuit) 60 has a memory 61 and a drive means 62 for driving the MEMS, and moves the membrane 18 and the dielectric multilayer mirror 16 up and down. The memory 61 stores data related to the voltage applied to change the oscillation wavelength. The driving means 62 applies a voltage to the MEMS according to the data in the memory 61 to move the membrane 18 and the dielectric multilayer mirror 16 in the vertical direction.
このような装置の動作を説明する。
図示しない設定部から、波長λ0から波長λ1に発振波長の変更が設定される。これにより、駆動手段62がメモリ61から波長λ0から波長λ1へ発振波長を変更するためのデータを読み出す。なお、メモリ61には、メンブレン18、誘電体多層膜ミラー16を上下方向に移動して発振波長を変更する際に発生するハンチングが、波長範囲λ2に最も早く収まる電圧印加の値がデータとして記憶されている。なお、メモリ61のデータは、装置の製造時やメンテナンス時にあらかじめ測定し、メモリ61に格納するとよい。
The operation of such an apparatus will be described.
The change of the oscillation wavelength is set from the wavelength λ0 to the wavelength λ1 from a setting unit (not shown). As a result, the driving means 62 reads out data for changing the oscillation wavelength from the wavelength λ 0 to the
そして、駆動手段62によって誘電体多層膜ミラー16が上下に移動し、発振波長が変更されるが、受光手段51が面発光レーザ100から出射されるレーザ光の波長を測定する。さらに、駆動手段52が、この測定結果の波長と図示しない設定部で設定された波長λ1との誤差を求め、この誤差に基づいて、屈折率制御部30の電極34、35に電圧を印加し、波長誤差を軽減または0にする。
Then, the dielectric multilayer mirror 16 is moved up and down by the driving means 62 and the oscillation wavelength is changed. The light receiving means 51 measures the wavelength of the laser light emitted from the
このように、粗調整回路60が、面発光レーザ100の誘電体多層膜ミラー16を上下方向に移動させて広い波長範囲にわたって発振波長を大きく変更する。また、微調整回路50が、面発光レーザ100からのレーザ光の波長に基づいて屈折率制御部30の屈折率を変化させ、誘電体多層膜ミラー16の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減または0にする。これにより、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる。
As described above, the
なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。
図1、図3に示す面発光レーザの屈折率制御部30は、屈折率制御層に多重量子井戸層32を設け、量子閉じ込めシュタルク効果によって光共振器の実効的な光路長を変更させ、発振波長を変更する構成を示したが、屈折率制御部30は、電圧または電流によって、屈折率が変化される屈折率制御層を有するものならどのようなものを用いてもよい。例えば、以下のようにしてもよい。
In addition, this invention is not limited to this, The following may be sufficient.
The refractive
(1)屈折率制御部30は、屈折率制御層および上下の層でpin構造として、電極34、35に電圧を印加または電流を流すことにより、i領域の電界またはキャリア密度を制御し、屈折率制御層の屈折率を変化させてよい(例えば、特開平5−63301号公報、段落番号0007〜0008)。
(1) The refractive
(2)屈折率制御部30は、屈折率制御層をp型の半導体層とし、上部電極34をショットキー電極にする。そして、屈折率制御層とショットキー電極とを接合し、半導体−金属ショットキー接合を構成してもよい。そして、ショットキー電極に電圧が印加されると、p型の半導体層側に空乏層が広がる。これにより、キャリア分布が変化して屈折率が変化する(例えば、特開平8−204280号公報、段落番号0021−0023、第1−2図)。
(2) The refractive
(3)屈折率制御部30は、屈折率制御層をp型の半導体層とする。また、屈折率制御層上に絶縁体の膜(例えば、SiO2膜)と金属(例えば、Au)とで構成されたMIS(Metal Insulator Semiconductor)構造の電極を設ける。そして、MIS構造の電極に電圧が印加されると、p型の半導体層側に空乏層が広がる。これにより、キャリア分布が変化して屈折率が変化する(例えば、特開平8−204280号公報、段落番号0024−0030、第3−4図)。なお、絶縁体の膜は、光吸収の少ない材料を選択するか、光吸収が少なくなるように極力薄くするとよい。
(3) The refractive
(4)屈折率制御層にピエゾ効果を有する材料を用いる。そして、電極34、35に電圧を印加することにより、光弾性効果によって屈折率制御層の屈折率を変化させてもよい。(例えば、特公平8−8375号公報、第2−3頁、第1−2図)。 (4) A material having a piezoelectric effect is used for the refractive index control layer. Then, by applying a voltage to the electrodes 34 and 35, the refractive index of the refractive index control layer may be changed by the photoelastic effect. (For example, Japanese Patent Publication No. 8-8375, page 2-3, FIG. 1-2).
また、図1、図3に示す面発光レーザにおいて、屈折率制御用の上部電極34、下部電極35をレーザダイオード用の上部電極15、下部電極17と別に設ける構成を示したが、分離層19を設けず、レーザダイオード用の上部電極15と屈折率制御用の下部電極35とを共通電位にしてもよい。または、分離層19を設けず、電極15、電極35のどちらか片方のみを設け共用としてもよい。
Further, in the surface emitting laser shown in FIGS. 1 and 3, the structure in which the upper electrode 34 and the lower electrode 35 for controlling the refractive index are provided separately from the upper electrode 15 and the
また、図1、図3に示す面発光レーザにおいて、レーザ光が、基板10の取り出し口(つまり、基板10の裏面)から下方向に出射される構成を示したが、メンブレン18に取り出し口を設け、上方向に出射してもよい。この際、基板10、下部電極17は、取り出し口を設ける必要はない。
In the surface emitting laser shown in FIGS. 1 and 3, the laser light is emitted downward from the extraction port of the substrate 10 (that is, the back surface of the substrate 10). It may be provided and emitted upward. At this time, the
また、図1、図3に示す面発光レーザにおいて、発振波長を波長λ0から波長λ1に変更する場合を例として説明したが、発振波長を安定化させてもよい。つまり、面発光レーザは、使用環境(例えば、振動、温度変動、衝撃等)によって、機械的に駆動される誘電体多層膜ミラー16が上下に移動し、発振波長が変動してしまう。そこで、使用環境によって誘電体多層膜ミラー16が上下方向に移動した場合、屈折率制御部30が発振波長変動を軽減するとよい。
In the surface-emitting laser shown in FIGS. 1 and 3, the case where the oscillation wavelength is changed from the wavelength λ0 to the wavelength λ1 has been described as an example, but the oscillation wavelength may be stabilized. That is, in the surface emitting laser, the mechanically driven dielectric multilayer mirror 16 moves up and down depending on the use environment (for example, vibration, temperature fluctuation, impact, etc.), and the oscillation wavelength fluctuates. Therefore, when the dielectric multilayer mirror 16 moves in the vertical direction depending on the usage environment, the refractive
このように、使用環境の影響によって、誘電体多層膜ミラー16が上下方向に移動しても、屈折率制御部30が誘電体多層膜ミラー16による発振波長の変更とは独立して高速に発振波長を変更し、屈折率制御部30が誘電体多層膜ミラー16の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減するので、波長が安定したレーザ光を出射することができる。
As described above, even if the dielectric multilayer mirror 16 moves in the vertical direction due to the influence of the use environment, the refractive
また、図1、図3に示す面発光レーザにおいて、発振波長を波長λ0から波長λ1に変更する場合、誘電体多層膜ミラー16を上下方向に移動させると共に、屈折率制御部30の屈折率を変化させて面発光レーザから出力されるレーザ光の発振波長を変更する構成を示したが、波長λ0と波長λ1との波長差が小さい場合(例えば、波長差が波長範囲λ2以下)は、誘電体多層膜ミラー16を移動させずに屈折率制御部30のみで高速に発振波長を変更してもよい。
In the surface emitting laser shown in FIGS. 1 and 3, when the oscillation wavelength is changed from the wavelength λ0 to the wavelength λ1, the dielectric multilayer mirror 16 is moved in the vertical direction and the refractive index of the refractive
また、図1、図3に示す面発光レーザにおいて、メンブレン18は、基板10と平行に設ける構成を示したが、メンブレン18を凸面または凹面としてもよい。すなわち、誘電体多層膜ミラー16の形状が凸面または凹面となる。これにより、レーザ光の横モードの選択を行うことができる。
In the surface emitting laser shown in FIGS. 1 and 3, the membrane 18 is provided in parallel with the
そして、図1、図3に示す面発光レーザにおいて、屈折率制御部30を分離層19を介して化合物半導体表面(図1なら上部スペーサ層14の上面、図3ならコンタクト層43の上面)にモノリシックに集積する構成を示したが、屈折率制御部30は化合物半導体、MEMSのそれぞれと別チップとして作成し、ハンダや接着剤等で化合物半導体表面や誘電体多層膜ミラー16表面に貼り合わせても良い。貼り合わせの材質によって電気的に絶縁されるならば分離層19を設けなくともよい。さらに、屈折率制御部30は、化合物半導体表面や誘電体多層膜ミラー16に接しないようにエアギャップAGに設けても良い。
In the surface emitting laser shown in FIGS. 1 and 3, the refractive
このように屈折率制御部30が、化合物半導体表面にモノリシックに集積されず、別チップとして作成され貼り合わされるので、化合物半導体表面との格子整合を考慮する必要がない。これにより、材料の選択の幅がひろがり、最適な材料で屈折率制御部30を形成することができる。
In this way, the refractive
さらに、図4に示す波長可変面発光レーザ装置において、微調整回路50、粗調整回路60によって、面発光レーザ100の発振波長を波長λ0から波長λ1に変更する場合を例として説明したが、面発光レーザ100から出射されるレーザ光の発振波長を安定化させてもよい。つまり、面発光レーザ100は、使用環境によって、機械的に駆動される誘電体多層膜ミラー16が上下に移動し、発振波長が変動してしまう。そこで、使用環境によって誘電体多層膜ミラー16が上下方向に移動した場合、微調整回路50が波長変動による誤差を検出し、屈折率制御部30を制御して発振波長変動を軽減または0にするとよい。
Further, in the wavelength tunable surface emitting laser device shown in FIG. 4, the case where the oscillation wavelength of the
このように、使用環境の影響によって、誘電体多層膜ミラー16が上下方向に移動しても、微調整回路50が面発光レーザからのレーザ光の波長に基づいて屈折率制御部20の屈折率を変化させる。これにより、誘電体多層膜ミラー16の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減するので、波長が安定したレーザ光を出射することができる。
As described above, even if the dielectric multilayer mirror 16 moves in the vertical direction due to the influence of the use environment, the
10 半導体基板
11 下部DBR層(下部分布反射層)
13 活性層
16 誘電体多層膜ミラー(上部分布反射層)
30 屈折率制御部
32 多重量子井戸層(屈折率制御層)
50 発振波長微調整回路
60 発振波長粗調整回路
100 面発光レーザ
AG エアギャップ
10 Semiconductor substrate 11 Lower DBR layer (lower distributed reflection layer)
13 Active layer 16 Dielectric multilayer mirror (Upper distributed reflection layer)
30 Refractive Index Control Unit 32 Multiple Quantum Well Layer (Refractive Index Control Layer)
50 Oscillation wavelength
Claims (11)
前記光共振器内部に設けられ、屈折率が変化する屈折率制御層を有する屈折率制御部を具備し、
前記上部分布反射層は、半導体微細加工技術によって形成され上下方向に可動であることを特徴とする面発光レーザ。 A lower distributed reflective layer is provided between the semiconductor substrate and the active layer, an upper distributed reflective layer is provided above the active layer via an air gap, and an optical resonator is formed by the upper distributed reflective layer and the lower distributed reflective layer. A surface emitting laser that emits laser light in a direction perpendicular to the semiconductor substrate,
A refractive index control unit having a refractive index control layer provided inside the optical resonator and having a refractive index that changes,
The surface-emitting laser, wherein the upper distributed reflection layer is formed by a semiconductor microfabrication technique and is movable in the vertical direction.
前記屈折率制御部の屈折率制御層は、前記ショットキー電極と接合され、半導体−金属ショットキー接合を構成し、電圧印加により屈折率変化することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の面発光レーザ。 The refractive index control unit has a Schottky electrode,
The refractive index control layer of the refractive index control unit is bonded to the Schottky electrode to form a semiconductor-metal Schottky junction, and the refractive index is changed by voltage application. A surface emitting laser according to claim 1.
前記屈折率制御部の屈折率制御層は、前記MIS構造の電極と接合され、電圧印加により屈折率変化することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の面発光レーザ。 The refractive index control unit has a MIS structure electrode composed of an insulator and a metal,
5. The surface emitting laser according to claim 1, wherein a refractive index control layer of the refractive index control unit is bonded to the MIS structure electrode, and changes a refractive index when a voltage is applied.
この面発光レーザからのレーザ光の波長によって、前記面発光レーザの屈折率制御部の屈折率を制御して前記面発光レーザの発振波長を変更する発振波長微調整回路と、
前記面発光レーザの上部分布反射層の上下方向の位置を制御して前記面発光レーザの発振波長を変更する発振波長粗調整回路と
を有し、前記発振波長微調整回路は、前記上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減することを特徴とする波長可変面発光レーザ装置。 A surface emitting laser according to any one of claims 1 to 8,
An oscillation wavelength fine adjustment circuit that changes the oscillation wavelength of the surface emitting laser by controlling the refractive index of the refractive index control unit of the surface emitting laser according to the wavelength of the laser light from the surface emitting laser,
An oscillation wavelength rough adjustment circuit that changes an oscillation wavelength of the surface emitting laser by controlling a vertical position of the upper distributed reflection layer of the surface emitting laser, and the oscillation wavelength fine tuning circuit includes the upper distributed reflection A wavelength tunable surface emitting laser device that reduces oscillation wavelength fluctuations caused by the vertical movement of a layer.
前記面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させて光共振器の間隔を変化させ発振波長を変更させると共に、前記面発光レーザの屈折率制御部の屈折率を変化させて光共振器の実効的な光路長を変化させ発振波長を変更させることを特徴とする面発光レーザの発振波長制御方法。 In the surface-emitting laser oscillation wavelength control method according to any one of claims 1 to 8,
The upper distributed reflection layer of the surface emitting laser is moved up and down to change the interval between the optical resonators to change the oscillation wavelength, and the refractive index of the refractive index control unit of the surface emitting laser is changed to change the optical resonator. A method for controlling an oscillation wavelength of a surface emitting laser, wherein the oscillation wavelength is changed by changing an effective optical path length.
発振波長粗調整回路が、前記面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させて光共振器の間隔を変化させ発振波長を変更し、
発振波長微調整回路が、前記面発光レーザからのレーザ光の波長によって、前記面発光レーザの屈折率制御部の屈折率を変化させて光共振器の実効的な光路長を変化させ、前記上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減することを特徴とする面発光レーザの発振波長制御方法。
In the surface-emitting laser oscillation wavelength control method according to any one of claims 1 to 8,
The oscillation wavelength coarse adjustment circuit changes the oscillation wavelength by moving the upper distributed reflection layer of the surface emitting laser in the vertical direction to change the interval between the optical resonators,
The oscillation wavelength fine adjustment circuit changes the effective optical path length of the optical resonator by changing the refractive index of the refractive index control unit of the surface emitting laser according to the wavelength of the laser light from the surface emitting laser, An oscillation wavelength control method for a surface emitting laser, characterized in that fluctuations in oscillation wavelength caused by movement of the distributed reflection layer in the vertical direction are reduced.
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- 2004-02-03 JP JP2004026215A patent/JP2005222968A/en active Pending
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