JP2012074445A - 波長可変レーザ - Google Patents

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隆昭 平田
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Abstract

【課題】水平共振器型半導体レーザを用いて、垂直共振器型波長可変レーザが作製できなかった波長帯域が得られる波長可変レーザを実現する。
【解決手段】波長可変レーザにおいて、第1の半導体基板32に形成された水平共振器型半導体レーザ31と、第1の半導体基板の表面に設けられ平行方向の屈折率が周期的に変化されるDBRミラー部33と、第1の半導体基板の裏面がボンディングされて収納される切欠溝36が設けられた第2の半導体基板35と、水平共振器型半導体レーザに対向して前記第2の半導体基板に設けられ端面出射光を第1の半導体基板の表面に垂直方向に反射する45度反射ミラー37と、第2の半導体基板の表面にボンディングされる第3の半導体基板38と、第3の半導体基板に設けられ45度反射ミラーで反射された反射光を反射すると共に前記DBRミラー部と光共振器を形成し、共振器長が調節されるMEMS可動ミラー39と、を具備する。
【選択図】図1

Description

本発明は光通信用および光を応用した各種計測用の波長可変レーザの構造に関するものである。
更に詳述すれば、水平共振器型半導体レーザを用いて、垂直共振器型波長可変レーザと同様構造を実現し、これまで垂直共振器型波長可変レーザで作製できなかった波長帯域が得られる波長可変レーザに関するものである。
通常の水平共振器型半導体レーザの共振器長は、波長の1000倍程度と長いため、半導体の利得帯域に多数のファブリペローモードが存在する。
したがって水平共振器型波長可変レーザは、一つのファブリペローモードを選択する構造と、その選択するファブリペローモードの波長を変化させる機構が必要で、非常に複雑な構造になる。
一方、垂直共振器型半導体レーザの共振器長は波長の10倍程度と短いため、半導体の利得帯域に一つのファブリペローモードしか存在しない。
したがって垂直共振器型波長可変レーザは、一つのファブリペローモードを選択する構造が不要で、単純に共振器長を変化させファブリペローモードの波長を変えることで、波長可変レーザを実現できる。
これまでに上部DBRミラーが無い半VCSELレーザとMEMS可動ミラーをフリップチップボンドした、垂直共振器型波長可変レーザが開発されている。
図8は従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図である。
図において、第1の電極11は、InP基板12の一面に設けられている。
ミラー層13は、InP基板12の一面に平行に、InP基板12に設けられている。
この場合は、InP基板12の一面側に設けられ、底部がミラー層13に接する凹形状の出射孔121が設けられている。
また、この場合は、ミラー層13はInP化合物からなる。
活性層14は、ミラー層13の他面に一面が接して設けられ、InP基板12に設けられている。
第2の電極15は、活性層14の他面に一面が設けられ中央部に光共振ギャップを構成する空隙部16を有する。
SOI基板17は、第2の電極15の他面に一面が設けられている。
凹面部18は、SOI基板17の一面に、空隙部16に対向して設けられている。
この場合は、凹面部18はシリコンの選択研磨により形成されている。
光学薄膜19は、凹面部18に設けられ、ミラー層13と光共振器を構成する。
この場合は、光学薄膜19は誘電体多層膜よりなる。
静電駆動ギャップ部21は、SOI基板17の酸化膜層に凹面部18に対向して、SOI基板のシリコン膜層にダイアフラム22を構成する。
この場合は、静電駆動ギャップ21はSOI基板17の酸化膜層の犠牲層エッチングにより形成されている。
第3の電極23は、SOI基板17の他面に一面が設けられている。
以上の構成において、光共振器の構造は、化合物ミラー13と誘電体薄膜ミラー19の間にInPの活性層14の領域と空隙部16の領域からなっている。
InPの活性層14に電流を注入し、その光が上下のミラー間を反射してレーザ発振を行うものである。
そして、発振波長は光共振器の長さにより決まる。
下側のSOI基板のダイアフラム22とシリコン基板17の間に電圧を印加することによりシリコンのダイアフラム部22はシリコン基板方向に動く、そうすると光共振器の長さが長くなりレーザの発振波長が長波長側にシフトする。
このような動作で波長可変レーザが構成出来る。
この結果、
SOI基板17の一面に空隙部16に対向して設けられた凹面部18が形成されているので、回折損の低減と熱による凹面の曲率変化がない波長可変レーザが得られる。
InP基板12にSOI基板17が接合されているので、InP基板12で発生した熱がSOI基板17側に逃げ、SOI基板17側がヒートシンクとなり、放熱が良好な波長可変レーザが得られる。
凹形状の出射孔121が設けられたので、ミラー層13から出射されたレーザ光がInP基板12を通ることなく、直接出射されるので、効率が良い波長可変レーザが得られる。
ミラー層13はInP化合物からなるので、InP基板に直接作り込めば良く、製作の容易な波長可変レーザが得られる。
凹面部18はシリコンの選択研磨により形成されたので、半導体プロセスが直接利用でき、精密な凹面部18が得られる波長可変レーザが得られる。
光学薄膜19は誘電体多層膜よりなるので、半導体プロセスが直接利用でき、安価な波長可変レーザが得られる。
静電駆動ギャップ21はSOI基板17の酸化膜層の、犠牲層エッチングにより形成されるので、半導体プロセスが直接利用でき、安価な波長可変レーザが得られる。
特開2005−223111号公報
このような装置においては、以下の問題点がある。
現在まで様々な材料と構造を用い、紫外から赤外まで幅広い波長帯域で半導体レーザが開発されている。
しかし水平共振器型半導体レーザに比べ、垂直共振器型半導体レーザの開発は技術的に難しいため、垂直共振器型半導体レーザが開発されている波長帯域は限られている。
更に、中赤外より長波長側の半導体レーザである量子カスケードレーザは、原理的に垂直方向の電界を持つ光でしか発振しない。
光は横波なので量子カスケードレーザの光は水平方向にしか進めず、垂直共振器型量子カスケードレーザは原理的に作ることができない。
図9に、水平共振器型半導体レーザ(量子カスケードレーザを含む)と垂直共振器型半導体レーザ(VCSEL)の波長帯域を示す。
このように垂直共振器型波長可変レーザの作製できる波長帯は制限されている。
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、水平共振器型半導体レーザを用いて、垂直共振器型波長可変レーザと同様構造を実現し、これまで垂直共振器型波長可変レーザが作製できなかった波長帯域が得られる波長可変レーザを提供することにある。
このような課題を達成するために、本発明では、請求項1の波長可変レーザにおいては、
発光出射される波長が変更できる波長可変レーザにおいて、第1の半導体基板に形成された水平共振器型半導体レーザと、前記水平共振器型半導体レーザの前記第1の半導体基板の表面に平行方向の途中に設けられ前記平行方向の屈折率が周期的に変化されるDBRミラー部と、前記第1の半導体基板の裏面がボンディングされて収納される切欠溝が表面に設けられた第2の半導体基板と、前記水平共振器型半導体レーザに対向して前記第2の半導体基板に設けられ端面出射光を前記第1の半導体基板の表面に垂直方向に反射する45度反射ミラーと、前記第2の半導体基板の表面にその表面がボンディングされる第3の半導体基板と、この第3の半導体基板に設けられ前記45度反射ミラーで反射された反射光を反射すると共に前記DBRミラー部と光共振器を形成し、この共振器長が調節されるMEMS可動ミラーと、を具備したことを特徴とする。
本発明の請求項2の波長可変レーザにおいては、請求項1記載の波長可変レーザにおいて、
前記水平共振器型半導体レーザは、量子カスケードレーザが使用されたことを特徴とする。
本発明の請求項3の波長可変レーザにおいては、請求項1又は請求項2記載の波長可変レーザにおいて、
前記DBRミラー部は、前記第1の半導体基板の表面に垂直に周期的に切り欠かれて形成されたDBRミラー部が使用されたことを特徴とする。
本発明の請求項4の波長可変レーザにおいては、請求項3記載の波長可変レーザにおいて、
前記周期的に切り欠かれた切り欠きの深さが前記水平共振器型半導体レーザの活性層に達しないように形成されたことを特徴とする。
本発明の請求項5の波長可変レーザにおいては、請求項1乃至請求項4の何れかに記載の波長可変レーザにおいて、
前記水平共振器型半導体レーザの出射端面に設けられた無反射コートを具備したことを特徴とする。
本発明の請求項6の波長可変レーザにおいては、請求項1乃至請求項5の何れかに記載の波長可変レーザにおいて、
前記MEMS可動ミラーは、シリコン材が使用されたことを特徴とする。
本発明の請求項7の波長可変レーザにおいては、請求項1乃至請求項6の何れかに記載の波長可変レーザにおいて、
前記水平共振器型半導体レーザの活性層の厚さが前記発光出射される波長より厚くされたことを特徴とする。
本発明の請求項8の波長可変レーザにおいては、請求項1乃至請求項7の何れかに記載の波長可変レーザにおいて、
前記MEMS可動ミラーは、可動凹面ミラーを具備しこの可動凹面ミラーの設定曲率値により横モードが制御されるようにしたことを特徴とする。
本発明の請求項1によれば、次のような効果がある。
水平共振器型半導体レーザを使用して、垂直共振器型波長可変レーザと同様の原理で動作する短共振器可動ミラー型波長可変レーザが実現でき、小型で単純な構造で単一波長の波長可変レーザが得られる。
これにより従来の垂直共振器型波長可変レーザにおいて得られなかった波長帯域で発光する小型で単純な構造の波長可変レーザが得られる。
本発明の請求項2によれば、次のような効果がある。
量子カスケードレーザは物理的に縦方向の電界を持つ光でしか発光せず、また光は横波なので、物理的に垂直共振器型波長可変レーザを作製することができない。この量子カスケードレーザを使用して、垂直共振器型波長可変レーザと同様の原理で動作する短共振器可動ミラー型波長可変レーザが実現でき、小型で単純な構造で単一波長の波長可変レーザが得られる。これにより従来の垂直共振器型波長可変レーザにおいて得られなかった、中赤外からテラヘルツ波の波長帯域で発光する小型で単純な構造の波長可変レーザが得られる。
本発明の請求項3によれば、次のような効果がある。
DBRミラー部は、第1の半導体基板の表面に(垂直に)周期的に切り欠かれて形成されたDBRミラー部が使用されたので、半導体と空気の屈折率で決まるDBRミラー部の周期的屈折率差が非常に大きくなり、少ない周期の(短い)DBRミラー部で広い波長範囲にわたり高い反射率が得られる。これにより共振器長を更に短くでき、発光可能波長範囲の広い波長可変レーザが得られる。
本発明の請求項4によれば、次のような効果がある。
周期的に切り欠かれた切り欠きの深さが、水平共振器型半導体レーザの活性層に達しないように形成されたので、DBRミラー部の導波路構造を残すことが出来、光損失を低減しDBRミラー部の反射率を向上できる。これにより発光可能波長範囲の広い波長可変レーザが得られる。
本発明の請求項5によれば、次のような効果がある。
無反射コートがないと半導体DBRミラー部とMEMS可動ミラーで形成される光共振器の内部に出射端面の反射が存在するため複合光共振器構造となり、光共振器長と共振波長の関係が複雑になる。無反射コートにより単一光共振器構造となり、光共振器長と共振波長の関係が単純(線形)な波長可変レーザが得られる。
本発明の請求項6によれば、次のような効果がある。
単結晶シリコンは理想的な弾性材料であり、信頼性の高い波長可変レーザが得られる。
本発明の請求項7によれば、次のような効果がある。
活性層の厚さが波長より厚くなっているため、発光する光ビームの径を活性層厚より小さくし活性層内からはみ出さないようにできる。
このため光ビームの増幅利得を大きくでき、発光可能波長範囲の広い波長可変レーザが得られる。
本発明の請求項8によれば、次のような効果がある。
凹面ミラーの曲率値を変化させることにより、複数存在する共振器の各横モードの損失を変化させることができる。
したがって、高次横モードの損失が大きくなるように曲率値を設定することにより、基本横モードで発光する波長可変レーザが得られる。
本発明の一実施例の要部構成説明図である。 図1の要部構成説明図である。 図2の要部構成説明図である。 図1の動作説明図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明図である。 従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図である。 レーザの波長帯域を示す図である。
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図1は本発明の一実施例の要部構成説明図、図2は図1の要部構成説明図で、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A断面図、図3は図2の要部構成説明図で、(a)は正面図、(b)は平面図である。
図において、図8と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図8との相違部分のみ説明する。
図1において、水平共振器型半導体レーザ31は、第1の半導体基板32に形成されている。
水平共振器型半導体レーザ31は、この場合は、図3に示す如く、活性層311と、活性層311の両側に設けられた光封じ込め層(クラッド層)312,313と、出射端面に設けられた無反射コート314とを有する。
この場合は、水平共振器型半導体レーザ31は、量子カスケードレーザが使用されている。
DBRミラー部33は,水平共振器型半導体レーザ31の第1の半導体基板32の表面に平行方向の途中に設けられ、平行方向の屈折率が周期的に変化される。
この場合は、DBRミラー部33は、第1の半導体基板32の表面に垂直に周期的に切り欠かれて形成されている。
なお、図3に示す如く、第1の半導体基板32の図の左側はハンドリングのためのハンドリング部34である。
即ち、図3において、第1の半導体基板32には、図の右側より、利得領域32a、DBRミラー部33、ハンドリング部34が配置されている。
第2の半導体基板35には、第1の半導体基板32の裏面がボンディングされて収納される切欠溝36が表面に設けられている。
45度反射ミラー37は、水平共振器型半導体レーザ31に対向して、第2の半導体基板35に設けられ、水平共振器型半導体レーザ31の端面出射光を、第1の半導体基板32の表面に垂直方向に反射する。
第3の半導体基板38は、第2の半導体基板35の表面に、その表面がボンディングされている。
MEMS可動ミラー39は、第3の半導体基板38に設けられ、45度反射ミラー37で反射された反射光を反射すると共に、DBRミラー部33と光共振器を形成し、共振器長が調節される。
この場合は、MEMS可動ミラー39は、シリコン材が使用されている。
第1の,第2の電極40a,40bは、第1の半導体基板32の両面に設けられている。
第3の,第4の電極40c,40dは、第3の半導体基板38の両面に設けられている。
即ち、量子カスケードレーザ31を周期的に垂直にエッチングし、DBRミラー部33を形成し一方のミラーとする。
このとき空気と半導体の屈折率差が非常に大きいため、広い波長帯域で高反射率なミラーを少ない周期のDBRミラー部33で形成することができる(屈折率差が小さく多くの周期のDBRミラー部33でも高反射率は得られるが、反射率の半値幅が狭くなり波長可変範囲が制限され、更に等価的反射面までの距離が長くなり共振器長も長くなってしまう)。
これにより素子は組立て可能な大きさだが、共振器長は非常に短い端面出射型半導体レーザを作製することができる。
利得領域の端面には無反射コート314される。
第1の半導体基板32をボンディングする切欠溝36と異方性エッチングにより端面出射光を垂直方向に反射する45度反射ミラー37が形成されたシリコン材よりなる第2の半導体基板35に、無反射コート314された第1の半導体基板32をボンディングし、更に、これをMEMS可動ミラー39が設けられた第3の半導体基板38にフリップチップボンディングする。
以上の構成において、第1の半導体基板32に水平共振器型半導体レーザ31を構成し、水平共振器型半導体レーザ31の一方のミラーとしてDBRミラー構造を用いることにより、第1の半導体基板32を組立て可能な大きさに保ったまま、レーザの出射端面とDBRミラーの距離を短くする。
第1の半導体基板32の出射端面に無反射コート314をし、共振器への出射端面の反射の影響を除く。
切欠溝36と45度反射ミラー37が形成されたシリコン材からなる第2の半導体基板35に、無反射コート314された第1の半導体基板32をボンディングする。
更に、この第2の半導体基板35を、MEMS可動ミラー39が設けられた第3の半導体基板38にフリップチップボンディングする。
これにより、水平共振器型半導体レーザ31のDBRミラー部33と外部可動ミラー39で共振器長の短い光共振器を形成する。
図4(a)に示す如く、従来方式の水平共振器型半導体レーザの場合の半導体の利得帯域中にファブリペローモードが多数存在するのに対して、図4(b)に示す如く、共振器長が短いので、半導体の利得帯域中にファブリペローモードが一つしか存在しないため、このままの構造で単一モードで発振する。
また、図4(b)に示す如く、MEMS可動ミラー39に電圧を印加し、共振器長を変化させることで、発振波長を可変することができる。
また、DBRミラー部33として屈折率差の大きな半導体と空気の周期構造を用いることにより、少ない周期の(短い)DBR構造で、広い波長範囲にわたり高い反射率が得られる。
これにより共振器長を更に短くでき、発光可能波長範囲の広い波長可変レーザが得られる。
この結果、
水平共振器型半導体レーザ31を使用して、垂直共振器型波長可変レーザと同様の原理で動作する短共振器可動ミラー型波長可変レーザが実現でき、小型で単純な構造で単一波長の波長可変レーザが得られる。
これにより従来の垂直共振器型波長可変レーザにおいて得られなかった波長帯域で発光する小型で単純な構造の波長可変レーザが得られる。
水平共振器型半導体レーザ31は、量子カスケードレーザが使用されたので、量子カスケードレーザは物理的に縦方向の電界を持つ光でしか発光せず、また光は横波なので、物理的に垂直共振器型波長可変レーザを作製することができない。
この量子カスケードレーザを使用して、垂直共振器型波長可変レーザと同様の原理で動作する短共振器可動ミラー型波長可変レーザが実現でき、小型で単純な構造で単一波長の波長可変レーザが得られる。
これにより従来の垂直共振器型波長可変レーザにおいて得られなかった、中赤外からテラヘルツ波の波長帯域で発光する小型で単純な構造の波長可変レーザが得られる。
DBRミラー部33は、第1の半導体基板32の表面に垂直に周期的に切り欠かれて形成されたDBRミラー部が使用されたので、半導体と空気の屈折率で決まるDBRミラー部の周期的屈折率差が非常に大きくなり、少ない周期の(短い)DBRミラー部で広い波長範囲にわたり高い反射率が得られる。
これにより共振器長を更に短くでき、発光可能波長範囲の広い波長可変レーザが得られる。
水平共振器型半導体レーザの出射端面に無反射コート314が設けられたので、無反射コート314がないと、半導体DBRミラー部33とMEMS可動ミラー39で形成される光共振器の内部に出射端面の反射が存在するため、複合光共振器構造となり、光共振器長と共振波長の関係が複雑になる。
無反射コート314により単一光共振器構造となり、光共振器長と共振波長の関係が単純(線形)な波長可変レーザが得られる。
MEMS可動ミラー39は、シリコン材が使用されたので、単結晶シリコンは理想的な弾性材料であり、信頼性の高い波長可変レーザが得られる。
図5は、本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
図5において、第1の半導体基板32に、表面より、順次、光封じ込め層(クラッド層)411、回析格子層412、活性層413,光封じ込め層(クラッド層)414を積層構造に構成したものである。
そして、DBRミラー部33に相当する部分の回析格子層412に、凹凸部4121が設けられている。
この結果、第1の半導体基板32の表面に平行方向の屈折率が周期的に変化されるDBRミラー部が得られる。
図6は、本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
図6において、第1の半導体基板32に、表面より、順次、光封じ込め層(クラッド層)511、活性層512,光封じ込め層(クラッド層)513を積層構造に構成したものである。
そして、光封じ込め層(クラッド層)511のDBRミラー部33に相当する部分の、周期的に切り欠かれた切り欠き5111の深さが、活性層512に達しないように形成されている。
この結果、周期的に切り欠かれた切り欠き5111の深さが、活性層512に達しないように形成されたので、DBRミラー部33の導波路構造を残すことが出来、光損失を低減しDBRミラー部33の反射率を向上できる。
これにより発光可能波長範囲の広い波長可変レーザが得られる。
図7は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
図7において、第1の半導体基板32に、表面より、順次、光封じ込め層(クラッド層)611、活性層612,光封じ込め層(クラッド層)613を積層構造に構成したものである。
そして、活性層612の厚さが、水平共振器型半導体レーザから発光出射される波長より厚くされている。
この結果、活性層612の厚さが波長より厚くなっているため、発光する光ビームの径を活性層厚より小さくし活性層内からはみ出さないようにできる。
このため光ビームの増幅利得を大きくでき、発光可能波長範囲の広い波長可変レーザが得られる。
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
11 第1の電極
12 InP基板
121 出射孔
13 ミラー層
14 活性層
15 第2の電極
16 空隙部
17 SOI基板
18 凹面部
19 光学薄膜
21 静電駆動ギャップ部
22 ダイアフラム
23 第3の電極
31 水平共振器型半導体レーザ
311 活性層
312 光封じ込め層(クラッド層)
313 光封じ込め層(クラッド層)
314 無反射コート
32 第1の半導体基板
32a 利得領域
33 DBRミラー部
34 ハンドリング部
35 第2の半導体基板
36 切欠溝
37 45度反射ミラー
38 第3の半導体基板
39 MEMS可動ミラー
40a 第1の電極
40b 第2の電極
40c 第3の電極
40d 第4の電極
411 活性層光封じ込め層(クラッド層)
412 回析格子層
4121 凹凸部
413 活性層
414 光封じ込め層(クラッド層)
511 光封じ込め層(クラッド層)
5111 切り欠き
512 活性層
513 光封じ込め層(クラッド層)
611 光封じ込め層(クラッド層)
5111 切り欠き
612 活性層
613 光封じ込め層(クラッド層)

Claims (8)

  1. 発光出射される波長が変更できる波長可変レーザにおいて、
    第1の半導体基板に形成された水平共振器型半導体レーザと、
    前記水平共振器型半導体レーザの前記第1の半導体基板の表面に平行方向の途中に設けられ前記平行方向の屈折率が周期的に変化されるDBRミラー部と、
    前記第1の半導体基板の裏面がボンディングされて収納される切欠溝が表面に設けられた第2の半導体基板と、
    前記水平共振器型半導体レーザに対向して前記第2の半導体基板に設けられ端面出射光を前記第1の半導体基板の表面に垂直方向に反射する45度反射ミラーと、
    前記第2の半導体基板の表面にその表面がボンディングされる第3の半導体基板と、
    この第3の半導体基板に設けられ前記45度反射ミラーで反射された反射光を反射すると共に前記DBRミラー部と光共振器を形成し、この共振器長が調節されるMEMS可動ミラーと、
    を具備したことを特徴とする波長可変レーザ。
  2. 前記水平共振器型半導体レーザは、量子カスケードレーザが使用されたこと
    を特徴とする請求項1記載の波長可変レーザ。
  3. 前記DBRミラー部は、前記第1の半導体基板の表面に垂直に周期的に切り欠かれて形成されたDBRミラー部が使用されたこと
    を特徴とする請求項1又は請求項2記載の波長可変レーザ。
  4. 前記周期的に切り欠かれた切り欠きの深さが前記水平共振器型半導体レーザの活性層に達しないように形成されたこと
    を特徴とする請求項3記載の波長可変レーザ。
  5. 前記水平共振器型半導体レーザの出射端面に設けられた無反射コート
    を具備したことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載の波長可変レーザ。
  6. 前記MEMS可動ミラーは、シリコン材が使用されたこと
    を特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の波長可変レーザ。
  7. 前記水平共振器型半導体レーザの活性層の厚さが前記発光出射される波長より厚くされたこと
    を特徴とする請求項1乃至請求項6の何れかに記載の波長可変レーザ。
  8. 前記MEMS可動ミラーは、可動凹面ミラーを具備しこの可動凹面ミラーの設定曲率値により横モードが制御されるようにしたこと
    を特徴とする請求項1乃至請求項7の何れかに記載の波長可変レーザ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015230974A (ja) * 2014-06-05 2015-12-21 住友電気工業株式会社 量子カスケード半導体レーザ
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