JP2009170736A - 面発光レーザおよびその波長制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長可変光源の波長可変幅が大きく制限されない波長可変制御方式を実現する。
【解決手段】 ダイヤフラム上に設けられた第１の光学多層膜と、第２の光学多層膜とを活性層を介して対向させることにより、この第１および第２の光学多層膜とにより光共振器を形成する面発光レーザにおいて、少なくとも前記ダイヤフラムにおける前記光共振器側の面に、この光共振器を密閉する空間を形成するとともに、この密閉する空間の圧力を変化させ、発振波長を変化させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、面発光レーザの波長制御に関し、詳しくは、面発光レーザの差圧による波長制御に関するものである。

図２は、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２において、分離層１９が、下部ＤＢＲ層１２や活性層１４からなる化合物半導体の表面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。

屈折率制御部２０が、下部ＤＢＲ層１２、誘電体多層膜ミラー１７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２０は、ｎ型のコンタクト層２１、多重量子井戸層２２、ｐ型のコンタクト層２３、屈折率制御用の上部電極２４、屈折率制御用の下部電極２５を有する。

ｎ型のコンタクト層２１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２０とが電気的に絶縁されている。多重量子井戸層２２は、ｎ型のコンタクト層２１の上に形成される。ここで、多重量子井戸層２２は、屈折率制御層である。また、多重量子井戸層２２の吸収波長は、活性層１４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２２は、活性層１４の発振波長に対して、透明になるバンドギャップをもつ。

ｐ型のコンタクト層２３は、多重量子井戸層２２の上に形成される。屈折率制御用の上部電極２４は、レーザ光を取り出すための中央部が取り除かれｐ型のコンタクト層２３の上に形成される。屈折率制御用の下部電極２５は、メサ加工されて多重量子井戸層２２、ｐ型のコンタクト層２３が取り除かれたｎ型のコンタクト層２１の周辺部の上に形成される。

次に、面発光レーザの動作を説明する。
先ず、レーザを発光させる動作について説明する。
上部電極１６と下部電極２５との間に電圧が印加されると上部電極１６から、上部スペーサ層１５、活性層１４、下部スペーサ層１３、下部ＤＢＲ層１２およびｎ型のＩｎＰ基板１１を通り下部電極２５まで電流が流れる。

このとき、バンドギャップの最も狭い活性層１４において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、光共振器で光増幅されてｎ型のＩｎＰ基板１１の取り出し口、つまりｎ型のＩｎＰ基板１１の裏側からレーザ光として出射される。

なお、注入された電流は上部電極１６から下部電極１８に向かって流れるので、発光領域である活性層１４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。

このように、化合物半導体のｎ型のＩｎＰ基板１１上に形成された下部ＤＢＲ層１２と、活性層１４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１７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。

次に、発振波長変更する動作を説明する。
また、ＭＥＭＳによって誘電体多層膜ミラー１７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ている。

次に、図３において、静電駆動方式によって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３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。
絶縁層は、ダイヤフラム５の移動量を測定するため中央部が取り除かれチップ８の上に形成される。従って、チップ８の上に中央部が取り除かれた絶縁層７ａ及び７ｂ、この中央部が取り除かれた部分を下部ギャップ９とし、チップ８の上に絶縁層７ａおよび絶縁層７ｂおよび下部ギャップ９を介してダイヤフラム５が形成され、その上に第１の光学多層膜４が形成される。
そして、ダイヤフラム５とチップ１にダイヤフラム駆動電源６が接続されている。
また、ダイヤフラム５上に設けられた第１の光学多層膜４と、第２の光学多層膜２とを活性層３および上部ギャップ１０を介して対向させることにより、この第１光学多層膜４および第２の光学多層膜２により光共振器が形成される。従って、チップ１の上に第２の光学多層膜２、活性層３が形成される。

このような図３に示す従来例の動作を説明する。
図示しないダイヤフラム５の上にあ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ダイヤフラム５が下に移動し、元の状態に戻る動作をすることにより、第１の光学多層膜４および第２の光学多層膜２の距離が変化することにより、光共振器長、つまり光共振器の間隔が変化し、レーザ発振波長が変化する。つまり、第１の光学多層膜４および第２の光学多層膜２の間隔を変えることが出来る。

特開２００５−２２２９６８号公報

しかし、このような面発光レーザの波長制御には、次のような問題点があった。

ダイヤフラムを静電移動させる場合、ダイヤフラムに電圧を印加することにより、ダイヤフラムのたわみ量が、印加電圧０Ｖ時のギャップの長さの１/３以上になると、ダイヤフラムは急激に対向する基板に引き込まれてしまう。

ダイヤフラムが対向する基板に引き込まれることにより、静電駆動方式の波長可変光源の波長可変幅が大きく制限されてしまうという問題点がある。

そこで、本発明は、上記のような従来技術の欠点をなくし、波長可変光源の波長可変幅が大きく制限されない波長可変制御方式を実現することを目的としたものである。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、ダイヤフラム上に設けられた第１の光学多層膜と、第２の光学多層膜とを活性層を介して対向させることにより、この第１および第２の光学多層膜とにより光共振器を形成する面発光レーザにおいて、少なくとも前記ダイヤフラムにおける前記光共振器側の面に、この光共振器を密閉する空間を形成するとともに、この密閉する空間の圧力を変化させ、発振波長を変化させることを特徴とする。

請求項２では、請求項１の面発光レーザにおいて、前記ダイヤフラムにおいて、前記光共振器側の面にこの光共振器を密閉する空間および前記光共振器側と反対側の面にこの光共振器と反対側の部分を密閉する空間を形成するとともに、それぞれの密閉する空間の圧力を変化させることを特徴とする。

請求項３では、請求項２の面発光レーザにおいて、前記ダイヤフラムにおいて、前記光共振器側の空間あるいは前記光共振器側と反対側の空間のいずれかの空間が、大気に開放されていることを特徴とする。

請求項４では、請求項１乃至３いずれかの面発光レーザにおいて、前記ダイヤフラムの材質は、シリコンであることを特徴とする。

請求項５では、面発光レーザの波長制御方法において、ダイヤフラム上に設けられた第１の光学多層膜と、第２の光学多層膜とを活性層を介して対向させることにより、この第１および第２の光学多層膜とにより光共振器を形成する面発光レーザにおいて、前記ダイヤフラムに対して、その両側に加える圧力を調節し、このダイヤフラムを上下方向にたわませることにより、前記光共振器の間隔を変化させ、共振波長を変更させることを特徴とする。

請求項６では、請求項５の面発光レーザの波長制御方法において、前記ダイヤフラムにおける前記光共振器側の面に、この光共振器を密閉する空間を形成するとともに、この密閉する空間の圧力を制御し、これに対して前記ダイヤフラム側の面の圧力を大気に開放することを特徴とする。

請求項７では、請求項５の面発光レーザの波長制御方法において、前記ダイヤフラムにおける前記光共振器と反対側の面に、この光共振器と反対側の部分を密閉する空間を形成するとともに、この密閉する空間の圧力を制御し、これに対して前記光共振器側の面を大気に開放することを特徴とする。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を説明すれば下記の通りである。

面発光レーザの波長制御において、下部ギャップの厚さ分、つまりダイヤフラムとチップが接触しない程度にダイヤフラムをたわませることができる。

ダイヤフラムを下部ギャップの厚さ分、つまりダイヤフラムとチップが接触しない程度にたわませることができることにより、レーザ発振波長を従来よりも長波長側へ数倍長くすることができる。

また、光共振器側をパッケージで覆い、パッケージ内の内部圧力を変化させることにより、従来ではできなかった方向、つまり上部方向にダイヤフラムをたわませることができる。

よって、従来よりも波長の可変幅を非常に長くすることができる。

以下、図面を用いて、本発明の面発光レーザおよびその波長制御方法を説明する。

図１は、本発明の一実施例を示す構造図である。

図１に示すように、面発光レーザにおいて、先ず、チップ８の上には絶縁層７ａ、７ｂが形成され、レーザ光を取り出すため下部ギャップ９に示す部分が取り除かれて絶縁層７ａ及び７ｂとなる。
また、絶縁層７ａ及び７ｂの上にはダイヤフラム５が形成され、このダイヤフラム５の上に第１の光学多層膜４が形成されている。

一方、チップ１上に第２の光学多層膜２が形成され、この第２の光学多層膜２の上に活性層３が形成されている。そして、第２の光学多層膜２と第１の光学多層膜４とを活性層３および上部ギャップ１０を介して対向させている。

また、ダイヤフラム５が光共振器と接していない面は、大気に開放されている。
つまり、チップ８のレーザ光出力側には、異方性エッチングや等方性エッチング等でダイヤフラム５が外部大気と触れるようにレーザ光取り出し口３３が形成されている。

また、第２の光学多層膜２および第１の光学多層膜４により光共振器が形成される。
そして、少なくともダイヤフラム５は、光共振器側の面に、この光共振器を密閉させる空間を形成するために、少なくともダイヤフラム５に対して、光共振器側をパッケージ３１で覆われている。

パッケージ３１には、密閉された空間の圧力を変化させるための制御機器と接続する接続口３２が設けられている。
パッケージ３１の例としては、カンパッケージ等がある。

ダイヤフラム５に対して、その両側に加える圧力を調節し、このダイヤフラム５を上下方向にたわませることにより、光共振器の間隔を変化させ、共振波長を変更させることができる。

従来例の静電駆動方式では、印加電圧が０Ｖ時に下部ギャップ９のたわみ量が下部ギャップ９の長さの１／３以上になった場合、静電気によりダイヤフラム５とチップ８が急激に接触する恐れがあった。

これに対して、本発明では、パッケージ３１の内側を加圧する場合、従来例の静電駆動方式と同様に、長波長側にレーザ発振波長が変化する。また、下部ギャップ９のたわみ量が下部ギャップ９の長さの１／３以上になった場合においてもダイヤフラム５とチップ８は接触しないことにより、下部ギャップ９の限界までダイヤフラム５をたわませることができる。

一方、パッケージ３１の内側を減圧する場合、従来例の静電駆動方式では実現できなかった方向にもダイヤフラム５をたわませることができる。ダイヤフラム５がダイヤフラム５より上側に、つまり光共振器側にたわむことにより、レーザ発振波長が短波長側に変化することができる。

よって、パッケージ３１の内側の圧力を加圧および減圧する場合、ダイヤフラム５の可変幅は上部ギャップ１０と下部ギャップ９とを合わせた分となり、従来の静電駆動方式の可変幅より大幅に増加することができる。

また、ダイヤフラム５の材質は、シリコンである。

また、ダイヤフラム５において、光共振器側の面にこの光共振器を密閉する空間および光共振器側と反対側の面にこの光共振器と反対側の部分を密閉する空間を形成するとともに、それぞれの密閉する空間の圧力を変化させる場合においても、同様の効果が得られる。

また、ダイヤフラム５において、光共振器側の空間あるいは光共振器側と反対側の空間のいずれかの空間が、大気に開放される場合においても、同様の効果が得られる。

なお、ダイヤフラム５における光共振器と反対側の面に、この光共振器と反対側の部分を密閉する空間を形成するとともに、この密閉する空間の圧力を制御し、これに対して光共振器側の面を大気に開放しても同様の効果が得られる。

なお、本発明の面発光レーザは、圧力を制御することによってレーザの発振波長を制御することができ、圧力と発振波長との間に相関関係を有している。この関係を利用することにより、圧力計および気圧計の応用として使用することができる。

本発明の一実施例を示す構造図である。 従来の一例を示す構成図である 従来の一例を示す構成図である

符号の説明

１ チップ
２ 第２の光学多層膜
３ 活性層
４ 第１の光学多層膜
５ ダイヤフラム
６ ダイヤフラム駆動電源
７ａ、７ｂ 絶縁層
８ チップ
９ 下部ギャップ
１０ 上部ギャップ
１１ ｎ型のＩｎＰ基板
１２ 下部ＤＢＲ層
１３ 下部スペーサ層
１４ 活性層
１５ 上部スペーサ層
１６ 上部電極
１７ 誘電体多層膜ミラー
１８ 下部電極
１９ 分離層
２０ 屈折率制御部
２１ ｎ型のコンタクト層
２２ 多重量子井戸層
２３ ｐ型のコンタクト層
２４ 上部電極
２５ 下部電極
３１ パッケージ
３２ 接続口
３３ レーザ光取り出し口

Claims (7)

1. ダイヤフラム上に設けられた第１の光学多層膜と、第２の光学多層膜とを活性層を介して対向させることにより、この第１および第２の光学多層膜とにより光共振器を形成する面発光レーザにおいて、
   少なくとも前記ダイヤフラムにおける前記光共振器側の面に、この光共振器を密閉する空間を形成するとともに、この密閉する空間の圧力を変化させ、発振波長を変化させることを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記ダイヤフラムにおいて、前記光共振器側の面にこの光共振器を密閉する空間および前記光共振器側と反対側の面にこの光共振器と反対側の部分を密閉する空間を形成するとともに、それぞれの密閉する空間の圧力を変化させることを特徴とする請求項１記載の面発光レーザ。
3. 前記ダイヤフラムにおいて、前記光共振器側の空間あるいは前記光共振器側と反対側の空間のいずれかの空間が、大気に開放されていることを特徴とする請求項２記載の面発光レーザ。
4. 前記ダイヤフラムの材質は、シリコンであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の面発光レーザ。
5. ダイヤフラム上に設けられた第１の光学多層膜と、第２の光学多層膜とを活性層を介して対向させることにより、この第１および第２の光学多層膜とにより光共振器を形成する面発光レーザにおいて、
   前記ダイヤフラムに対して、その両側に加える圧力を調節し、このダイヤフラムを上下方向にたわませることにより、前記光共振器の間隔を変化させ、共振波長を変更させることを特徴とする面発光レーザの波長制御方法。
6. 前記ダイヤフラムにおける前記光共振器側の面に、この光共振器を密閉する空間を形成するとともに、この密閉する空間の圧力を制御し、これに対して前記ダイヤフラム側の面の圧力を大気に開放することを特徴とする請求項５記載の面発光レーザの波長制御方法。
7. 前記ダイヤフラムにおける前記光共振器と反対側の面に、この光共振器と反対側の部分を密閉する空間を形成するとともに、この密閉する空間の圧力を制御し、これに対して前記光共振器側の面を大気に開放することを特徴とする請求項５記載の面発光レーザの波長制御方法。