JP2022506532A - 二方向作動を用いる接合型波長可変ｖｃｓｅｌ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬは、ミラーと、光共振器を大きくするためにミラーを移動させる先端側静電共振器とを有する薄膜装置を備える。ＶＣＳＥＬ装置は、光を増幅する活性領域を有する。また、ＶＣＳＥＬ装置と薄膜装置との間に、光共振器を小さくするためにミラーを移動させる基端側静電共振器が形成されている。【選択図】図５
Description
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２０１８年１１月５日出願の米国仮出願第６２／７５５，７９６号の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部を成すものとして引用する。
光コヒーレンス解析は、参照波と試験波との間または試験波のうちの２つの部分の間の干渉現象を用いて、距離および厚さの測定、ならびに試料の屈折率の算出を行うことに基づいている。光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）は、高分解能断面撮像を行うために用いられる技術の一例である。この技術は、例えば、リアルタイムで微視的に生体組織構造を撮像する際に適用されることが多い。物体または試料から光波が反射され、コンピューターが、反射によりその光波がどのように変化するかについての情報を用いて、その試料の断面の画像または三次元ボリュームレンダリングを生成する。
多種多様なクラスのＯＣＴが存在するが、現在のところ、多くの用途において、フーリエドメインＯＣＴが最良の性能を提供する。また、フーリエドメインアプローチのうち、掃引光源ＯＣＴは、バランス型偏光ダイバーシティ検出に対応可能であるので、スペクトル・エンコーディングＯＣＴなどの手法に対して明確な利点がある。また、スペクトル・エンコーディングＯＣＴに通常求められる安価で高速の検出器アレイが利用できない波長領域での撮像において、利点を有する。
掃引光源ＯＣＴにおいて、スペクトル成分は、空間分離によりエンコードされるのではなく、時間でエンコードされる。スペクトルは、逐次的な光周波数サンプリング間隔でフィルタリングまたは生成され、フーリエ変換の前に再構築される。周波数走査型掃引光源を用いることで、光学構成は比較的複雑でなくなるが、この場合、該光源（特に、その周波数掃引速度および同調精度）により重要な性能特性が決まることになる。
ＯＣＴ掃引光源の高速周波数同調（または高掃引速度）は、特に、高速撮像により運動誘発アーチファクトが軽減され、患者に対する施術の長さが短縮される生体内撮像に関連している。また、解像度を向上するために用いることもできる。
歴史的にみると、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）－波長可変垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）は、電気通信用途に用いられてきた。その波長可変性により、単一のレーザーで、ＩＴＵ波長分割多重グリッドの複数のチャネルに対応することが可能となった。
より最近では、これらのＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬは、掃引光源ＯＣＴシステムにおける掃引光源として提案されている。ここで、これらのＶＣＳＥＬにはいくつかの利点がある。これらのＶＣＳＥＬは、光共振器の長さが短くかつ偏向可能なＭＥＭＳ薄膜ミラーが低質量であることにより、高い掃引速度を可能としている。また、これらのＶＣＳＥＬは、単一縦モード動作が可能であり、必ずしもモードホッピング雑音の影響を受けない。これらの特性は、深撮像（deep imaging）のための長いコヒーレンス長にも寄与する。
一例では、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬは、燐化インジウム（ＩｎＰ）ベースの量子井戸活性領域と、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）ベースの酸化ミラーとを用いたＶＣＳＥＬチップまたは装置を使用する。静電駆動型の誘電体ミラーは、活性領域の上に垂下されており、誘電体ミラーの静電共振器の一部を形成するエアギャップにより分離されている。この静電駆動型ミラーは、ＶＣＳＥＬ装置の上部にモノリシックに形成されている。そして、ＭＥＭＳ ＶＣＳＥＬは、例えば、９８０ｎｍレーザーにより光学的にポンピングされる。
しかしながら、ＭＥＭＳ誘電体ミラーをＶＣＳＥＬ上にモノリシックに形成することにより、いくつかの欠点が生じる。まず、ＭＥＭＳミラーを形成するために必要となるすべての工程は、ＶＣＳＥＬの化学的性質と適合していなければならない。また、複雑な作製過程は製造歩留まりに影響する。
他のクラスのＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬは、ＭＥＭＳミラー装置をＶＣＳＥＬ装置に接合することに基づいている。これにより、レーザーの光空洞共振器の外部にある別体の静電共振器を形成できる。また、この空洞共振器構成を用いることで、活性領域およびＶＣＳＥＬ装置の表面から離れるようにＭＥＭＳミラーを引っ張ることにより、ＭＥＭＳミラーを同調させることが可能である。これにより、破損のおそれが低減される。また、この場合、ＭＥＭＳミラー装置はＶＣＳＥＬ装置に接合されているので、ＭＥＭＳミラー装置を作製するために用いる技術の自由度がはるかに高まる。
本発明は、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬに関する。しかしながら、これまでの波長可変ＶＣＳＥＬとは異なり、ＶＣＳＥＬ装置に向かってまたはＶＣＳＥＬ装置から離れるようにミラーを押し引きすることが可能である。また、いくつかの実施形態および／または操作のモードにおいて、前記ミラーはいずれの方向にも動的に引っ張ることが可能である。他の場合には、前記ミラーを初期位置へ引っ張ってから、さらにその方向に引っ張ってもよいし、または他の方向に引っ張ってもよい。
概して、一態様によれば、本発明はＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬに関する。前記ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬは、ミラーと、光共振器を大きくするために前記ミラーを移動させる先端側静電共振器とを有する薄膜（membrane）装置を備える。ＶＣＳＥＬ装置は、光を増幅する活性領域を有する。また、前記ＶＣＳＥＬ装置と前記薄膜装置との間に、光共振器を小さくするために前記ミラーを移動させる基端側静電共振器が形成されている。
概して、他の態様によれば、本発明は波長可変垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）に関する。前記ＶＣＳＥＬは、光を増幅する活性領域を有するＶＣＳＥＬ装置と、前記ＶＣＳＥＬ装置に接合された薄膜装置であって、ミラーおよびそのミラーを移動させて光共振器を大きくする先端側静電共振器を有する薄膜装置とを備える。前記ＶＣＳＥＬ装置と前記薄膜装置との間に、前記光共振器を小さくするために前記ミラーを移動させる基端側静電共振器が形成されている。
実施形態では、前記薄膜装置は、前記ＶＣＳＥＬに接合された金属である。また、前記基端側静電共振器は、前記薄膜装置の薄膜構造と、前記ＶＣＳＥＬ装置における基端側静電共振器の電極金属層との間に形成してもよい。さらに、前記薄膜装置上のワイヤーボンディングパッドは、前記基端側静電共振器の電極金属層に電気的に接続されていてもよい。
さらに、前記薄膜構造は、伝導率を高めるためにドープされていてもよい。
好ましくは、前記ＶＣＳＥＬは、絶縁スタンドオフを用いて前記基端側静電共振器のギャップが０にならないようにすることにより、前記基端側静電共振器における電気的超過ストレスによる損傷から保護されている。この絶縁スタンドオフは、高反射性誘電体コーティングであってもよい。
好ましくは、先端側静電共振器ドライバーを用いて前記薄膜装置に電圧を印加し、基端側静電共振器ドライバーを用いて前記ＶＣＳＥＬ装置に電圧を印加する。
前記薄膜装置にワイヤーボンディングパッドが設けられており、前記ワイヤーボンディングパッドに、前記先端側静電共振器ドライバーと前記先端側静電共振器ドライバーとが接続されていてもよい。
概して、他の態様によれば、本発明は波長可変垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の操作方法に関する。前記方法は、ＶＣＳＥＬ装置の活性領域において光を増幅することと、前記ＶＣＳＥＬ装置のミラー層と薄膜装置のミラーとの間に前記光のための光共振器を形成することと、先端側静電共振器を用いて前記ミラーを移動させて、前記光共振器を大きくすることと、基端側静電共振器を用いて前記ミラーを移動させて、前記光共振器を小さくすることとを含む。
以下において、添付の図面に言及しつつ、種々の新規な構造的細部および部分の組み合わせを含む本発明の上記特徴および他の特徴ならびに他の効果について、より具体的に説明する。また、これらは、添付の請求の範囲でも特定されている。なお、本発明を実施する具体的な方法および装置は、あくまでも例示的に示したものであり、本発明を限定するものではないと理解されたい。本発明の原則および特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの様々な実施形態で採用することができる。
添付の図面において、参照符号は、異なる図面を通して同じ部分を指している。図面は必ずしも縮尺に沿ったものではなく、本発明の原則を説明するにあたり強調が加えられている。
本発明に係るＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬの分解斜視図である。
同ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬを示す正面図であり、ＶＣＳＥＬ装置が仮想線で示されている。
同ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬを示す側面図であり、ＭＥＭＳミラー装置の光学ポートが仮想線で示されている。
同ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬを示す正面図である。
図４のＡ－Ａ線断面図である。
図４のＢ－Ｂ線に沿った詳細な断面図である。
ＶＣＳＥＬ装置を示す正面図である。
以下において、本発明の例示的な実施形態を示す添付の図面に言及しつつ、本発明について一層充分に説明する。しかしながら、本発明は、多様な形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示を詳細で完全なものとし、当業者が本発明の範囲を十分に把握できるように記載されている。
本明細書において、「および／または」という用語には、関連して挙げられた項目の１つ以上の任意かつあらゆる組み合わせが含まれる。さらに、単数形の記載、「１個」、「１つ」や「前記」などの記載は、特に明記されない限り、複数の場合も含むことを意図している。さらに、「含む」および／または「備える」などの用語は、本明細書において用いる場合、記載されている構成、整数、工程、動作、要素、および／または部品が存在することを特定するものであって、１つ以上の他の構成、整数、工程、動作、要素、部品、および／またはそれらの群が存在することまたは追加されることを除外するものではないと理解されたい。さらに、ある要素（部品またはサブシステムを含む）が、他の要素と接続または連結されているものとして言及および／または図示されている場合、その要素は当該他の要素に直接接続または連結されていてもよいし、介在する要素が存在してもよいと理解されたい。
特に定義されない限り、本明細書において用いられるすべての用語（技術用語および科学用語を含む）の意味は、本発明が属する技術分野の当業者が一般的に理解する意味と同じである。さらに、一般的に使用される辞書に定義されているような用語は、関連分野におけるそれらの用語の意味と一致する意味を有するものとして解釈すべきであり、本明細書において明確に定義されない限り、理想とされる意味または過度に形式的な意味では解釈されないと理解されたい。
図１には、本発明の原則に従って構成されたＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１００であって、ＶＣＳＥＬチップまたは装置１１２に接合されたＭＥＭＳ薄膜（ミラー）装置１１０を備えるＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１００が示されている。
図示された設計では、ＭＥＭＳミラー装置１１０をＶＣＳＥＬ装置１１２から分離する別体のスペーサ装置は設けられていない。全体的な目的としては、波長可変ＶＣＳＥＬ１００の光共振器をできるだけ小さくすることである。よって、光共振器の自由空間部分の大きさを調整するために、ＭＥＭＳミラー装置１１０および／またはＶＣＳＥＬ装置１１２に、ギャップを調整するための様々な材料層が堆積されている。このギャップは、ＶＣＳＥＬ装置の表面とＭＥＭＳミラー装置の表面との間に延在する自由空間部分を画定している。また、本発明によれば、基端側静電共振器は、ＭＥＭＳミラー装置１１０および／またはＶＣＳＥＬ装置１１２の間に延在している。
光学薄膜装置１１０は、支持体として機能するハンドルウェハ材料２１０を備える。ここでは、前記ハンドルは、ドープシリコン（抵抗率＜０．１Ω・ｃｍ、キャリア濃度＞ｌ×１０１７ｃｍ－３）からなり、電気的な接触を促進する。
ハンドルウェハ材料２１０に、光学薄膜またはデバイス層２１２がさらに設けられている。通常、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハが用いられる。この光学薄膜層２１２には、薄膜構造２１４が形成されている。本実施例では、薄膜層２１２は低ドープシリコン（抵抗率＞１Ω・ｃｍ、キャリア濃度＜５×１０１３ｃｍ－３）であり、伝達される光の自由キャリア吸収を最小限に抑える。電気的接触のために、薄膜層の表面は、通常、イオン注入によりさらにドープされており、高度にドープされた表面層を形成している（通常は＞１×１０１８ｃｍ－３まで、少なくとも１×１０１７ｃｍ－３までドープされ、厚さは少なくとも２００オングストローム（Ａ）、通常５００～２０００Ａである）。この方法により、層全体が高度にドープされている場合に生じる、薄膜層自体における光吸収を最小限に抑える。絶縁（埋め込み二酸化珪素）層２１６は、ハンドルウェハ材料２１０から光学薄膜層２１２を分離する。通常、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハが用いられる。
製造時において、絶縁層２１６は犠牲層／剥離層として機能し、この層は、ハンドルウェハ材料２１０から薄膜構造２１４を剥離するために部分的に除去される。その後、動作中、絶縁層２１６の残りの部分は、パターン状のデバイス層２１２とハンドル材料２１０との間の電気的絶縁をなす。
本実施形態では、薄膜構造２１４は本体部分２１８を備える。装置１００の光学軸は、該本体部分２１８を同心状に通過し、かつ薄膜層２１２により定められる平面に対して垂直に通過している。該本体部分２１８の直径は３００～６００μｍであることが好ましく、本実施形態では約５００μｍである。
円弧状スロット２２５により形成されるテザー２２０（図示の例では４個のテザー）がデバイス層２１２に設けられている。テザー２２０は、本体部分２１８から外側部分２２２へ径方向に延びており、この外側部分は、テザー２２０の末端となるリングを有する。本実施形態では、らせん状のテザーパターンが用いられている。
薄膜構造２１４の本体部分２１８には薄膜ミラードット２５０が設けられている。いくつかの実施形態では、薄膜ミラー２５０は光学的に湾曲し、光学的に凹の光学素子を形成することで、湾曲ミラーレーザー空洞共振器を形成している。他の場合においては、薄膜ミラー２５０は平面鏡であり、または凸面鏡であってもよい。
湾曲した薄膜ミラー２５０が所望される場合、この湾曲は、本体部分２１８に凹部を形成し、その後、この凹部の上にミラー２５０を形成する１層以上の材料層を堆積することにより形成することができる。他の例においては、薄膜ミラー２５０は、湾曲を生じさせる大きな圧縮材料応力を与えながら堆積させることができる。
薄膜ミラードット２５０は、好ましくは、反射性誘電体ミラースタックである。いくつかの例においては、レーザー１００において生成されるレーザー光の波長に対して定められた反射率（１～１０％の範囲など）を与えるダイクロイックミラーフィルターであり、光学ドット２５０は、ＶＣＳＥＬ装置１１２における活性領域を光学的にポンピングするために用いられる光の波長に対して透過性を有する。さらに他の例においては、光学ドットは、アルミニウムまたは金などの反射性金属層である。
図示された実施形態では、薄膜装置１１０の基端側に３個の金属パッド２３４が堆積されている。これらのパッドは、例えば、薄膜装置１１０の基端側面にＶＣＳＥＬ装置１１２を半田付けまたは熱圧着するために用いられる。また、上部パッドは、ＶＣＳＥＬ装置１１２に対する電気的接続をなす。
また、３個のワイヤーボンディングパッド３３４Ａ，３３４Ｂ，および３３４Ｃが設けられている。左側のＶＣＳＥＬ電極ワイヤーボンディングパッド３３４Ａは、金属パッド２３４に対する電気的接続をなすために用いられる。一方、右側の薄膜ワイヤーボンディングパッド３３４Ｂは、薄膜層２１２およびこれにより薄膜構造２１４に対する電気的接続をなすために用いられる。そして、ハンドルワイヤーボンディングパッド３３４Ｃは、ハンドルウェハ材料２１０に対する電気的接続をなすために用いられる。
一般に、ＶＣＳＥＬ装置１１２は、任意で設けられる反射防止コーティング１１４と、好ましくは１つまたは複数の量子井戸構造を有する活性領域１１８とを有する。キャップ層は、反射防止コーティング１１４が設けられている場合、この反射防止コーティング１１４と活性領域１１８との間に用いることができる。このキャップ層は、ＡＲコーティングおよび／またはエアに対する界面における表面／界面効果から前記活性領域を保護する。レーザー空洞共振器のバックミラー１１６は、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ミラーにより形成される。そして、ＧａＡＳなどのＶＣＳＥＬスペーサ１１５は、基板および機械的な支持体として機能する。
ＶＣＳＥＬ装置１１２の活性領域１１８の材料系は、所望する分光動作範囲に基づいて選択される。一般的な材料系は、III－Ｖ族半導体材料をベースとするものであり、ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＳｂ，ＩｎＡｓなどの二元系材料、ならびにＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ，ＡｌＡｓＳｂ，ＩｎＧａＳｂ，ＩｎＡｓＳｂ，およびＩｎＧａＡｓＳｂなどの三元系、四元系、五元系合金が含まれる。集合的には、これらの材料系は約４００ｎｍ～２０００ｎｍの動作波長（数μｍの波長までのより長い波長範囲を含む）をサポートする。半導体量子井戸領域および量子ドットゲイン領域は、通常、特に広いゲインおよび分光発光バンド幅を実現するために用いられる。
好適な実施形態において、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１００により生成される光の偏光が、好ましくは制御され、少なくとも安定化される。一般に、このクラスの装置は、直線偏光された光を発する円筒共振器を有する。通常、この光は結晶方向に沿って偏光されており、通常、これらの方向のうちの一方向が他方向よりも強い。同時に、偏光の方向はレーザー流またはポンピングレベルによって変えることができ、その挙動はヒステリシスを発現することが多い。
様々なアプローチを用いて偏光を調整することができる。一実施形態では、偏光選択ミラーが用いられる。他の例では、非円筒共振器が用いられる。さらなる実施形態では、電気的なポンピングを採用した場合、非対称の電流注入が用いられる。さらに別の例では、活性領域基板は、非対称の応力、歪み、熱流、または光学エネルギー分散を生じさせる溝部または材料層を有し、指定された安定な偏光軸に沿って偏光を安定化させるために用いられる。さらに別の例では、参照により本願の一部を成すものとして引用される、Bartley C. Johnson, et al.による２０１９年５月１０日出願の米国特許出願第１６／４０９，２９５号（"Tunable VCSEL polarization control through dissimilar die bonding"；以下、Johnsonと記載する）に記載されるように、非対称の機械的応力がＶＣＳＥＬ装置１１２に対して加えられる。
レーザー空洞共振器の他端は、ＶＣＳＥＬ装置１１２に形成されたリアミラー１１６により画定される。一例では、これは、一部の光（例えば、１～１０％）を反射して空洞共振器へ戻す屈折率の非連続性を生じさせる活性領域１１６に隣接する層である。他の例では、リアミラー１１６は、９０％を超える光を反射してレーザー空洞共振器へ戻す高反射性層である。
さらに別の例では、リアＶＣＳＥＬ分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ミラー１１６は、レーザー１００において生成されるレーザー光の波長に対して定められた反射率（例えば、１～１００％の範囲）を与えるダイクロイックミラーフィルターであり、リアミラー１１６は、ＶＣＳＥＬ装置１１２における活性領域を光学的にポンピングするために用いられる光の波長に対して透過性を有し、これにより、ＶＣＳＥＬ装置１１２がポンプ光の入力ポートとして機能できる。
図２は、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１００を示す正面図であり、ＶＣＳＥＬ装置１１２が仮想線で示されている。
特に、図２には、ＶＣＳＥＬ装置ボンディングパッド１２０Ａ～１２０Ｅの配置が示されている。これらのボンディングパッドはＶＣＳＥＬ装置１１２の基端側に円弧状に設けられていることにより、ＶＣＳＥＬ装置１１２を光学薄膜装置１１０のボンディングパッド２３４にボンディングすることができる。
図３は、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１００を示す側面断面図である。
ミラー２５０が出力反射体としてまたはモニタリングに使用される場合、光学ポート２４０が設けられており、ハンドルウェハ材料２１０の先端側から薄膜構造へ延びている。反射体２５０が後方反射体として使用されるのであれば、一部の場合において、ポート２４０は不要である。
さらに、この光学ポート２４０が必要かどうかは、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１００が動作する必要のある光学波長におけるハンドルウェハ材料２１０の透過性にもよる。通常、ポートがない場合、機能性のために裏側から透過することが求められるのであれば、光学軸に沿ったハンドルウェハ材料２１０に対し、反射防止（ＡＲ）コーティングが施されていることが必要である。
図４は、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１００を示す正面図であり、切断線Ａ－ＡおよびＢ－Ｂが示されている。
図５は、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬ１００をＡ－Ａ線断面図で模式的に示したものであり、基端側静電共振器および先端側静電共振器２２４を示している。
光学ポート２４０は概ね内方に傾斜する側壁２４４を有し、側壁２４４はポート開口２４６において終端となる。その結果、ハンドルウェハ２１０の先端側から見ると、薄膜構造２１４の本体部分２１８が見える。このポートは、薄膜ミラードット２５０と同心であることが好ましい。さらに、いくつかの例において、本体部分２１８の裏側に、薄膜裏側ＡＲコーティング１１９が施されている。このＡＲコーティング１１９は、レーザー空洞共振器へ入るポンプ光の結合および／または空洞共振器から出るレーザー光の結合を促進するために用いられる。さらに別の例では、上記コーティングは、ポンプ光をレーザー空洞共振器へ戻すために、ポンプ光に対して反射性を有する。
絶縁層２１６の厚さによって、先端側静電共振器２２４の静電共振器長さが定まる。ここでは、絶縁層２１６の厚さは３．０～６．０μｍの範囲である。一般的な経験則として、静電素子は、静電共振器の距離の３分の１以下の範囲で同調できる。その結果、一実施形態では、本体部分２１８およびこれによりミラー光学コーティング２３０は、先端方向に（つまり、ＶＣＳＥＬ装置１１２から離れるように）１～３μｍの範囲で偏向させることができる。
また、薄膜装置１１０に対するＶＣＳＥＬ装置１１２の接合方法に関する詳細についても図示されている。ＭＥＭＳ装置ボンディングパッド２３４は、ＶＣＳＥＬ基端側静電共振器の電極金属１２２に接合する。これらの金属層は電気的に絶縁されている。具体的には、ＭＥＭＳ装置ボンディングパッド２３４は、ＭＥＭＳ装置ボンディングパッド絶縁酸化物２３６により薄膜層２１２から分離されている。ＶＣＳＥＬ基端側静電共振器の電極金属１２２は、ＶＣＳＥＬ絶縁酸化層１２８によりＶＣＳＥＬ装置の他の部分から絶縁されている。ＶＣＳＥＬ基端側静電共振器の電極金属１２２およびＶＣＳＥＬ絶縁酸化層１２８はいずれも、前記レーザーの光共振器の自由空間部分２５２の領域に延在していないので、光学動作を阻害しない。
先端側静電共振器２２４および基端側静電共振器２２６は、薄膜構造２１４のいずれかの側に位置している。具体的には、先端側静電共振器２２４は、ハンドルウェハ材料２１０と、薄膜層２１２の垂下部である薄膜構造２１４との間に形成されている。ハンドルウェハ材料２１０と薄膜層２１２との間の電圧電位により、これらの層の間に静電吸引力が生じ、薄膜構造２１４をハンドルウェハ材料２１０に向かって引っ張る。一方、基端側静電共振器２２６は、薄膜構造２１４とＶＣＳＥＬ基端側静電共振器の電極金属１２２との間に形成されている。薄膜層２１２とＶＣＳＥＬ基端側静電共振器の電極金属１２２との間の電圧電位により、これらの層の間に静電吸引力が生じ、薄膜構造２１４をＶＣＳＥＬ装置１１２に向かって引っ張る。
一般に、前記装置の光学軸に沿って測定される基端側静電共振器２２６の大きさは、ボンディング金属の厚さ、ＶＣＳＥＬ基端側静電共振器の電極金属１２２およびＭＥＭＳ装置ボンディングパッド２３４の厚さ、ならびにＶＣＳＥＬ絶縁酸化層１２８およびＭＥＭＳ装置ボンディングパッド絶縁酸化物２３６の厚さによって定まる。
最小酸化物厚さは、必要となる電圧絶縁によって決まる。酸化膜破壊は、公称値でいえば、１０００Ｖ／μｍで生じる。よって、２００Ｖを絶縁するためには２０００Ａとなり、好ましくは、余裕を持たせて二倍の値とする。よって、ＶＣＳＥＬ絶縁酸化層１２８およびＭＥＭＳ装置ボンディングパッド絶縁酸化物２３６の層の厚さは４０００Ａよりも厚い。
ここで、金属ボンディングの厚さは（一層につき）６０００Ａであり、ボンディング時の圧縮は約３０００Ａである。これに基づくと、基端側静電共振器２２６の最小サイズは、０．８５μｍである。
この最小静電ギャップ地点において、薄膜ミラードット２５０の厚さが１．７μｍのとき、ゼロ光学ギャップが生じる。
この光学ギャップを大きくするために、空洞共振器の動作に影響を与えることなく、ＶＣＳＥＬ絶縁酸化層１２８の厚さを大きくすることができる。
一実施形態では、ＶＣＳＥＬ反射防止コーティング１１４、ＶＣＳＥＬ基端側静電共振器の電極金属１２２、ＭＥＭＳ装置ボンディングパッド２３４およびＭＥＭＳ装置ボンディングパッド絶縁酸化物２３６、ならびにＨＲコーティング（２５０）の膜厚は、偏向可能な薄膜構造（２１４）がＶＣＳＥＬ装置（１１２）に向かって引っ張られる際の電気的超過ストレス下において、薄膜構造２１４がＶＣＳＥＬ基端側電極金属１２２に接触する前に、薄膜ミラードット２５０の表面がＶＣＳＥＬ装置１１２の表面に触れるような厚さである。導電性の高いＶＣＳＥＬ電極金属に薄膜が接触すると、前記装置に永久的な電気的損傷が生じ得るが、薄膜ミラードット２５０は絶縁体である。この構成により、こうした電気的超過ストレスによる損傷から前記装置を保護する。
一方、絶縁酸化層１２８は不可欠ではない。実際のところ、ＶＣＳＥＬ装置が絶縁されていなければ、金属電極と同様に活性領域も帯電する。ＨＲコーティング２５０のスタックは誘電性であるので、薄膜からＶＣＳＥＬまでのエアギャップに相当するギャップがより小さい。これにより、薄膜およびＨＲスタックが引っ張られるときの静電力に顕著な影響を与えることとなる。
図６は、Ｂ－Ｂ線断面であり、ハンドルワイヤーボンディングパッド３３４Ｃの領域における薄膜装置１１０の部分を示している。
ハンドルワイヤーボンディングパッド３３４Ｃは、薄膜層１１２を貫通する孔３４５と、埋め込み酸化絶縁層２１６を貫通する他の孔３４２とを形成することにより作製されている。これにより、ハンドルワイヤーボンディングパッド３３４Ｃが堆積したハンドルウェハ材料２１０を露出させる。
図７は、ＶＣＳＥＬ装置１１２の基端側における金属パターンを示している。
しかしながら、いくつかの例では、パッドが４個しか用いられない。上部パッド１２０Ｃをなくすことで、Johnsonに記載されるように、偏光制御のために好適な応力方向が得られる。
ＶＣＳＥＬ基端側静電共振器の電極金属１２２は、ＶＣＳＥＬ装置１１２の基端側の中央部を覆っているが、最も中央は覆われておらず、ＶＣＳＥＬ反射防止コーティング１１４が露出した状態に保たれている。
ＶＣＳＥＬ基端側静電共振器の電極金属１２２は、各ＶＣＳＥＬボンディングパッドの電極ブリッジ１２４Ｂ～１２４Ｄにより、ＶＣＳＥＬ装置ボンディングパッド１２０Ｂ～１２０Ｄに電気的に接続されている。
組み立てられた状態で、ＶＣＳＥＬ基端側静電共振器の電極金属１２２は、ＶＣＳＥＬ装置ボンディングパッド１２０Ｂ，１２０Ｃ，１２０ＤとＭＥＭＳ装置ボンディングパッド２３４との間の金属ボンディングにより、ＶＣＳＥＬ電極ワイヤーボンディングパッド３３４Ａに電気的に接続されている。また、ＭＥＭＳ装置ボンディングパッド２３４は、ＶＣＳＥＬブリッジ金属３４０により、ＶＣＳＥＬ基端側静電共振器の電極金属１２２に電気的に接続されている。
このように、図２を参照すると、先端側静電共振器ドライバー４２４は、ハンドルワイヤーボンディングパッド３３４Ｃを介してのハンドルウェハ材料２１０と、薄膜ワイヤーボンディングパッド３３４Ｂを介しての薄膜層２１２との間に電圧を印加する。基端側静電共振器ドライバー４２６は、ハンドルワイヤーボンディングパッド３３４Ｃを介してのハンドルウェハ材料２１０と、左側のＶＣＳＥＬ電極ワイヤーボンディングパッド３３４Ａを介してのＶＣＳＥＬ１１２（具体的にはＶＣＳＥＬ基端側静電共振器の電極金属１２２）との間に電圧を印加する。これにより、コントローラー４００は、基端側静電共振器ドライバー４２６を制御して薄膜層２１２の本体部分２１４をＶＣＳＥＬ装置１１２に向かって平行移動させることにより、基端側静電共振器２２６を調整する。また、コントローラー４００は、先端側静電ドライバー４２４を制御して薄膜層２１２の本体部分２１４をハンドル材料２１０に向かって平行移動させることにより、先端側静電共振器２２４を調整する。
本発明について、好適な実施形態に言及しつつ具体的に図示および説明を行ったが、当業者であれば、添付の請求の範囲に含まれる本発明の範囲を逸脱することなく、本発明において形態および細部に様々な変更を施すことが可能であるということを理解するであろう。
Claims (19)
- 波長可変垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）であって、
光を増幅する活性領域を有するＶＣＳＥＬ装置と、
前記ＶＣＳＥＬ装置に接合された薄膜装置であって、ミラーおよびそのミラーを移動させて光共振器を大きくする先端側静電共振器を有する薄膜装置とを備え、
前記ＶＣＳＥＬ装置と前記薄膜装置との間に、前記ミラーを移動させて前記光共振器を小さくする基端側静電共振器が形成されているＶＣＳＥＬ。 - 請求項１に記載のＶＣＳＥＬにおいて、前記薄膜装置が、前記ＶＣＳＥＬに接合された金属であるＶＣＳＥＬ。
- 請求項１に記載のＶＣＳＥＬにおいて、前記基端側静電共振器が、前記薄膜装置の薄膜構造と、前記ＶＣＳＥＬ装置における基端側静電共振器の電極金属層との間に形成されているＶＣＳＥＬ。
- 請求項３に記載のＶＣＳＥＬにおいて、前記薄膜装置上のワイヤーボンディングパッドが、前記基端側静電共振器の電極金属層に電気的に接続されているＶＣＳＥＬ。
- 請求項１に記載のＶＣＳＥＬにおいて、前記薄膜構造が、伝導率を高めるためにドープされているＶＣＳＥＬ。
- 請求項１に記載のＶＣＳＥＬにおいて、前記ＶＣＳＥＬが、絶縁スタンドオフを用いて前記基端側静電共振器のギャップが０にならないようにすることにより、前記基端側静電共振器における電気的超過ストレスによる損傷から保護されているＶＣＳＥＬ。
- 請求項６に記載のＶＣＳＥＬにおいて、前記絶縁スタンドオフが、高反射性誘電体コーティングであるＶＣＳＥＬ。
- 請求項１に記載のＶＣＳＥＬにおいて、前記薄膜装置に電圧を印加する先端側静電共振器ドライバーと、前記ＶＣＳＥＬ装置に電圧を印加する基端側静電共振器ドライバーとをさらに備えるＶＣＳＥＬ。
- 請求項８に記載のＶＣＳＥＬにおいて、前記薄膜装置にワイヤーボンディングパッドがさらに設けられており、前記ワイヤーボンディングパッドに、前記先端側静電共振器ドライバーと前記先端側静電共振器ドライバーとが接続されているＶＣＳＥＬ。
- 波長可変垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の操作方法であって、
ＶＣＳＥＬ装置の活性領域において光を増幅することと、
前記ＶＣＳＥＬ装置のミラー層と薄膜装置のミラーとの間に前記光のための光共振器を形成することと、
先端側静電共振器を用いて前記ミラーを移動させて、前記光共振器を大きくすることと、
基端側静電共振器を用いて前記ミラーを移動させて、前記光共振器を小さくすることとを含む方法。 - 請求項１０に記載の方法において、前記薄膜装置が、前記ＶＣＳＥＬに接合された金属である方法。
- 請求項１０に記載の方法において、前記基端側静電共振器が、前記薄膜装置の薄膜構造と前記ＶＣＳＥＬ装置との間に形成されている方法。
- 請求項１２に記載の方法において、前記薄膜装置上のワイヤーボンディングパッドにワイヤボンディングすることにより、前記ＶＣＳＥＬ装置を電気的に接続することをさらに含む方法。
- 請求項１０に記載の方法において、前記基端側静電共振器が、前記薄膜装置の薄膜構造と、前記ＶＣＳＥＬ装置における基端側静電共振器の電極金属層との間に形成されている方法。
- 請求項１０に記載の方法において、前記薄膜構造が、伝導率を高めるためにドープされている方法。
- 請求項１０に記載の方法において、前記ＶＣＳＥＬが、絶縁スタンドオフを用いて前記基端側静電共振器のギャップが０にならないようにすることにより、前記基端側静電共振器における電気的超過ストレスによる損傷から保護されている方法。
- 請求項１６に記載の方法において、前記絶縁スタンドオフが、高反射性誘電体コーティングである方法。
- 請求項１０に記載の方法において、前記薄膜装置に電圧を印加する先端側静電共振器ドライバーと、前記ＶＣＳＥＬ装置に電圧を印加する基端側静電共振器ドライバーとをさらに備える方法。
- 請求項１８に記載の方法において、前記薄膜装置上のワイヤーボンディングパッドに、前記先端側静電共振器ドライバーと前記先端側静電共振器ドライバーとを接続することをさらに含む方法。
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