JP2023008664A

JP2023008664A - 光共振器及び面発光レーザー

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Publication number: JP2023008664A
Application number: JP2021112395A
Authority: JP
Inventors: 芙美枝渡邉; Fumie Watanabe; 雄真北川; Yuma Kitagawa; 信一郎手塚; Shinichiro Tezuka
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2021-07-06
Filing date: 2021-07-06
Publication date: 2023-01-19

Abstract

【課題】偏光方向を動的に制御することが可能な光共振器及び面発光レーザーを提供する。【解決手段】光変調器１０は、電流の印加により光を出射する化合物半導体２０と、前記化合物半導体２０から出射した光を共振するための、第１の反射膜２２及び第２の反射膜３５と、前記第１の反射膜２２及び前記第２の反射膜３５の間に設けられ、前記光の光路の間隔を規制するスリットＳの一方の縁部を規定する梁部４２と、前記梁部４２を前記スリットＳの間隔方向に変位させる駆動部４１（４１ａ，４１ｂ）と、を備える。【選択図】図４

Description

本開示は、光共振器及び面発光レーザーに関する。

光共振器とは、対面させた反射体等の間に光を閉じ込め、光の定常波を作り出すための光学機器をいう。微小光共振器は、微細加工技術により非常に小さく作製された光共振器である。微小光共振器の一つとして、垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）にマイクロマシン（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）技術を応用した面発光レーザー（以下、「ＭＥＭＳ－ＶＣＳＥＬ」と称する。）が知られている（非特許文献１）。ＭＥＭＳ－ＶＣＳＥＬは、一方の誘電体反射膜（ミラー）がない半ＶＣＳＥＬ構造チップと、マイクロマシン技術を用いて作製された凹面形状の可動式反射膜を持つＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板とから構成される。ＭＥＭＳ－ＶＣＳＥＬでは、ＳＯＩ基板の可動式反射膜が形成されたシリコンメンブレン構造とシリコン基板との間に電圧を印加して静電力（クーロン力）により可動式反射膜を変位させることで、レーザー光の発振波長を高速に変化させることができる。

蒲原敦彦他、他5名、「MEMS技術を用いた高速波長可変面発光レーザー」、横河技報、横河電機株式会社、2008年、第52巻、第4号、p.153-156

非特許文献１のＭＥＭＳ－ＶＣＳＥＬを含むＶＣＳＥＬ基板による波長可変レーザーにおいては、結晶及び光共振器の面内対称性により、面内で特定の方向を持たない利得を有する基板が用いられる。そのため、このような面発光レーザー等の光共振器においては、偏光不安定性及び偏光スイッチングが発生し得る。偏光不安定性又は偏光スイッチングが発生すると、発振波長がシフトしたり光パワーが変動したりする現象が生じる。これを防止するために、偏光を制御するためのスリットを光共振器内に導入することも考えられる。

しかしながら、偏光制御のための従来のスリットは静的であり、スリットの向き及び形状を動的に制御することができない。すなわち、いったんある方向でスリットを作製した場合、その後、偏光方向を変更することができない。そのため、光共振器にスリットを設けてある従来の光源からは、特定の一つの方向の直線偏光しか得ることができなかった。その結果、例えば直交した二つの偏光についての反射率を測定するような、偏光に依存した測定を行うには、半波長板等の外部素子が必要となった。このような場合、部品が増えるため小型化及び低コスト化の面が課題となり得た。

本開示は偏光方向を動的に制御することが可能な光共振器及び面発光レーザーを提供する。

幾つかの実施形態に係る光共振器は、電流の印加により光を出射する化合物半導体と、前記化合物半導体から出射した光を共振するための、第１の反射膜及び第２の反射膜と、前記第１の反射膜及び前記第２の反射膜の間に設けられ、前記光の光路の幅を規制するスリット一方の縁部を規定する梁部と、前記梁部を前記スリットの間隔方向に変位させる駆動部と、を備える。このように、光共振器は、化合物半導体から出射した光を共振する第１の反射膜及び第２の反射膜の間に設けられたスリットの間隔を制御可能な梁部及び駆動部を備える。したがって、このような光共振器によれば、偏光方向を動的に制御することが可能である。

一実施形態において、前記化合物半導体と接合用電極を介して接合されたＳＯＩ基板を更に備え、前記ＳＯＩ基板は、前記接合用電極に接合する第１のＳｉ層と、ＳｉＯ₂層と、第２のＳｉ層とを積層して備え、前記第１の反射膜は、前記化合物半導体の内部に設けられた第１の多層反射膜であり、前記第２の反射膜は、前記第２のＳｉ層の、前記化合物半導体が存在する側の表面に設けられた第２の多層反射膜であり、前記第１のＳｉ層は、前記第１の多層反射膜及び前記第２の多層反射膜の間の位置に、前記スリットを有し、前記梁部及び前記駆動部は、前記第１のＳｉ層の一部として設けられる。このような構成によれば、ＭＥＭＳ－ＶＣＳＥＬにおいて、偏光方向を動的に制御することが可能である。

一実施形態において、前記第１のＳｉ層は、前記スリットの間隔方向に分離した、互いに電気的に分離した第３のＳｉ層及び第４のＳｉ層を備え、前記梁部及び前記駆動部は、前記第３のＳｉ層の一部として設けられ、前記第３のＳｉ層及び前記第４のＳｉ層の間に電圧が印加されたことに応じて、当該電圧に基づき発生する電場に基づき静電力が加えられて、前記電場の方向へ変位する。このように、第３のＳｉ層及び第４のＳｉ層の間に電圧を印加することで、梁部が変位するため、スリットの間隔を制御することが可能である。

一実施形態において、前記駆動部は、複数の櫛を有する櫛歯部を備える。このように、光共振器は複数の櫛を有する櫛歯部を備えることで、スリット制御機構の表面積が大きくなり、梁部及び櫛歯部には電場に基づき大きな静電力が加えられる。そのため、小さな電圧でスリットの間隔を変更することが可能である。

一実施形態において、前記梁部は、両端を介して、前記第１のＳｉ層の他の部分に接続し、前記駆動部は、前記梁部に接続する複数の前記櫛歯部を備える。このように、梁部に接続する複数の櫛歯部を備えることで、梁部には全体にわたって均等な静電力が加えられる。そのため、電場の発生に応じて梁部はほぼ均等に変位し、スリットの第１、第２の多層反射膜の間で光が共振する範囲において、スリットの縁部をほぼ平行に保つことができる。

一実施形態において、面発光レーザーは、上記光共振器を備える。このような構成によれば、スリットの間隔を変更可能な面発光レーザーを提供することができる。

本開示の一実施形態によれば、偏光方向を動的に制御することが可能となる。

比較例に係る光共振器の構成を模式的に示す図である。本開示の一実施形態に係る面発光レーザーの構成を示すブロック図である。本開示の一実施形態に係る光共振器の構成を模式的に示す側面断面図である。図３におけるＡ₁Ａ₂断面図である。数値計算に用いられた光共振器の構成を示す図である。スリットがない光共振器のＴＭモードの電場減衰を示す図である。スリットがない光共振器のＴＥモードの電場減衰を示す図である。間隔２μｍのスリットを有する光共振器のＴＭモードの電場減衰を示す図である。間隔２μｍのスリットを有する光共振器のＴＥモードの電場減衰を示す図である。間隔５μｍのスリットを有する光共振器のＴＭモードの電場減衰を示す図である。間隔５μｍのスリットを有する光共振器のＴＥモードの電場減衰を示す図である。間隔８μｍのスリットを有する光共振器のＴＭモードの電場減衰を示す図である。間隔８μｍのスリットを有する光共振器のＴＥモードの電場減衰を示す図である。

＜比較例＞
図１は、比較例に係る光共振器９の構成を模式的に示す図である。図１は、非特許文献１のＭＥＭＳ－ＶＣＳＥＬにおける光共振器９を示している。光共振器９は、誘電体反射膜を持たない半ＶＣＳＥＬ構造チップ８０、及び、可動式反射膜を有するＳＯＩ基板９０から成る。

半ＶＣＳＥＬ構造チップ８０は、ＩｎＰ（リン化インジウム）層８１、多層反射膜８２、及び電極８３，８４を備える。ＳＯＩ基板９０は、Ｓｉ（シリコン）層９１、ＳｉＯ₂（二酸化ケイ素）層９２、Ｓｉ層９３、多層反射膜９５、反射防止膜９６、及び電極９７を備える。図４に示すように、半ＶＣＳＥＬ構造チップ８０、及び、ＳＯＩ基板９０は、熱圧着により接合することで、一体として形成される。ＶＣＳＥＬ駆動用の電流源８５により電極８３，８４の間に電流が供給されると、ＩｎＰ層８１において光が生成される。生成された光は多層反射膜８２及び多層反射膜９５の間で共振し、反射防止膜９６を通過して開口部９９からレーザー光Ｌとして出力される。

多層反射膜９５は誘電体多層構造を有する凹面反射膜（ミラー）であり、Ｓｉメンブレン９４上に形成される。可動膜としてのＳｉメンブレン９４はＳｉ層９１の一部に形成され、Ｓｉの薄いメンブレン（膜）構造を有する。Ｓｉ層９１，９３は導体であり、ＳｉＯ₂層９２は不導体（絶縁体）である。Ｓｉ層９１とＳｉ層９３との間には、ＳｉＯ₂層９２によりギャップＧが存在する。そのため、Ｓｉ層９１に接合している電極８４と、Ｓｉ層９３に形成された電極９７との間に電圧源９８により電圧が印加されると、Ｓｉメンブレン９４とＳｉ層９３との間に電位差が生じ、Ｓｉメンブレン９４の周辺には電場が発生する。この電場によって、Ｓｉ層９１のＳｉメンブレン９４の部分に静電力が加えられ、Ｓｉメンブレン９４は、Ｓｉ層９３側へ向かう方向又はその反対方向へ引き寄せられる。その結果、半ＶＣＳＥＬ構造チップ８０の内部にある多層反射膜８２とＳｉメンブレン９４上にある多層反射膜９５との間の距離が短く又は長くなり、レーザー光Ｌの発振波長が短波長側又は長波長側に変化する。したがって、比較例に係る光共振器９によれば、電極８４及び電極９７の間に電圧を印加することにより、レーザー光Ｌの波長を広い波長範囲で高速に変化させることができる。

比較例に係る光共振器９においては、結晶及び光共振器９の面内対称性により、面内で特定の方向を持たない利得を有する基板が用いられる。そのため、このような光共振器９においては、偏光不安定性及び偏光スイッチングが発生し得る。偏光不安定性又は偏光スイッチングが発生すると、発振波長がシフトしたり光パワーが変動したりする現象が生じる。これを防止するために、偏光を制御するためのスリットを光共振器９内に導入することも考えられる。

しかしながら、偏光制御のための従来のスリットは静的であり、スリットの向き及び形状を動的に制御することができない。すなわち、いったんある方向でスリットを作製した場合、その後、偏光方向を変更することができない。そのため、光共振器９に従来のスリットを設けてなる光源からは、特定の一つの方向の直線偏光しか得ることができなかった。その結果、例えば直交した二つの偏光についての反射率を測定するような、偏光に依存した測定を行うには、半波長板等の外部素子が必要となった。このような場合、部品が増えるため小型化及び低コスト化の面が課題となり得た。

＜実施形態＞
以下、本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。各図面中、同一の構成又は機能を有する部分には、同一の符号を付している。本実施形態の説明において、同一の部分については、重複する説明を適宜省略又は簡略化する場合がある。

図２は、本開示の一実施形態に係る光共振器１０を含む面発光レーザー１の構成を示すブロック図である。図２に示すように、面発光レーザー１は、光共振器１０、電流源７１、及び電圧源７２を備える。光共振器１０は、半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０、及び、ＳＯＩ基板３０を備える。

半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０は、発光部及び電極を備える。ＳＯＩ基板３０は、電極及びスリット制御機構を備える。半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０の発光部は化合物半導体であり、半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０の電極を介して電流源７１から電流が印加されると、光を発する。半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０及びＳＯＩ基板３０の各々は反射膜を有する。発光部において発せられた光は、半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０の反射膜とＳＯＩ基板３０の反射膜との間で共振し、レーザー光として出力される。

本実施形態に係るＳＯＩ基板３０は、各反射膜の間に設けられたスリットの大きさを変更するスリット制御機構を備える。本実施形態では、スリットはＳＯＩ活性層で形成される。スリット制御機構は、ＳＯＩ基板３０の電極を介して電圧源７２から電圧が印加されると、静電力によりスリットの形状を変化させる。したがって、本開示に係る光共振器１０は、レーザー光の偏光状態を動的に制御することが可能である。ＳＯＩ基板３０は、ＭＥＭＳチップで構成されてもよい。

図３は光共振器１０の構成を模式的に示す側面断面図である。図４は図３におけるＡ₁Ａ₂断面図である。図３及び図４は、半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０がＺ軸正方向、ＳＯＩ基板３０がＺ軸負方向に位置するように、半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０及びＳＯＩ基板３０を設けた場合における、光共振器１０の鉛直平面Ｂ₁Ｂ₂（図４）での断面を示している。図４は、光共振器１０を水平平面Ａ₁Ａ₂（図３）で切断した断面をＺ軸正方向からＺ軸負方向へ見た様子を示している。

図３及び図４に示すように、半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０は、図３正面視方向上から順に、すなわちＺ軸正方向から負方向に向かって順に、電極２３、ＩｎＰ層２１、多層反射膜２２、ＩｎＰ層２１、及び電極２４を備える。ＳＯＩ基板３０は、Ｚ軸正方向から負方向に向かって順に、Ｓｉ層３１、ＳｉＯ₂層３２、Ｓｉ層３３を備える。ＳＯＩ基板３０は、Ｓｉ層３１のＺ軸正方向の表面に電極３６，３７を更に備える。図３に示すように、Ｓｉ層３１及びＳｉ層３３の間にはＳｉＯ₂層３２が存在しない空間であるギャップＧ₁が存在する。ＳＯＩ基板３０は、ギャップＧ₁と接触するＳｉ層３３のＺ軸正方向の表面に反射防止膜３４及び多層反射膜３５を備える。

図３に示すように、半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０の第１の反射膜としての多層反射膜２２は、化合物半導体である二つのＩｎＰ層２１の間に配置される。ＩｎＰ層２１のＺ軸正方向側の表面には電極２３が設けられる。ＩｎＰ層２１のＺ軸負方向側の表面には電極２４が設けられる。電極２３，２４は、例えば、金（Ａｕ）により構成してもよい。

ＳＯＩ基板３０は、第１のＳｉ層としてのＳｉ層３１と、第２のＳｉ層としてのＳｉ層３３との間に絶縁体であるＳｉＯ₂層３２と、を備え、ＳｉＯ₂層３２はＳｉ層３１とＳｉ層３３とを電気的に切り離す。ＳＯＩ基板３０は、Ｓｉ層３１とＳｉ層３３との間に、ＳｉＯ₂層３２が存在しない空間であるギャップＧ₁を有する。図４に示すように、半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０及びＳＯＩ基板３０は、熱圧着により接合することで、一体として形成される。接合用電極としての電極２４は、半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０のＺ軸負方向側の表面に設けられた電極と、ＳＯＩ基板３０のＺ軸正方向側の表面に設けられた電極とを、熱圧着により接合することで形成されてもよい。

ＳＯＩ基板３０は、Ｓｉ層３３のＺ軸正方向側の表面に第２の反射膜としての多層反射膜３５を備える。多層反射膜３５は、例えば、凹面形状の誘電体多層構造を有する。Ｓｉ層３３は、多層反射膜３５のＺ軸負方向側には開口部３９を有する。ＳＯＩ基板３０は、多層反射膜３５の開口部３９側の表面に反射防止膜３４を備える。反射防止膜３４は、表面反射を軽減するコーティングであり、レーザーの効率を向上させる。ＶＣＳＥＬ駆動用の電流源７１により電極２３，２４の間に電流が供給されると、半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０は、ＩｎＰ層２１において光を生成する。生成された光は多層反射膜２２及び多層反射膜３５の間で共振し、反射防止膜３４を通過して開口部３９からレーザー光Ｌとして出力される。なお、Ｓｉに吸収されない光が出力される場合は、開口部３９を設けなくてもよい。

図４に示すように、Ｓｉ層３１は、Ｓｉ層３１ａ及びＳｉ層３１ｂを有する。図４の例では、電極２４はＳｉ層３１ｂに接合している。ＳＯＩ基板３０は、第４のＳｉ層としてのＳｉ層３１ａと、第３のＳｉ層としてのＳｉ層３１ｂとの間にギャップＧ₂を有し、Ｓｉ層３１ａ及びＳｉ層３１ｂを互いに電気的に絶縁している。ＳＯＩ基板３０は、Ｓｉ層３１ｂに、多層反射膜３５のＺ軸正方向の位置にスリット（すき間）Ｓを備える。スリットＳは、多層反射膜２２及び多層反射膜３５の間で共振する光の光路の幅を規制する。ＩｎＰ層２１において生成された光はスリットＳを通過して共振することになる。ＳＯＩ基板３０は、Ｓｉ層３１ｂの一部に形成された、スリットＳの形状を制御するためのスリット制御機構４０を備える。スリット制御機構４０は、櫛歯部４１（４１ａ，４１ｂ）及び梁部４２を備える。スリット制御機構４０はＳｉで形成されており、梁部４２の両端の端部４２ａ，４２ｂを介して、Ｓｉ層３１ｂの他の部分と連続している。図４に示すように、スリット制御機構４０の梁部４２は、スリットＳのＹ軸正方向側の形状を定める。梁部４２は、Ｙ軸正方向に電場が存在すると、静電力によりＹ軸正方向又はＹ軸負方向へ変位するような、Ｙ軸方向の厚さを有する。静電気力により変位する際、梁部４２は、両端の端部４２ａ，４２ｂにおいてＳｉ層３１ｂの他の部分と接続したまま湾曲する。

図４に示すように、ＳＯＩ基板３０は、Ｓｉ層３１ａに電極３６を備え、Ｓｉ層３１ｂに電極３７を備える。電極３６，３７は、例えば、金により構成してもよい。電極３６と電極３７との間に電圧源７２により電圧が印加されると、Ｓｉ層３１ａとＳｉ層３１ｂとの間に電位差が生じ、梁部４２の周辺にはＹ軸正方向又はＹ軸負方向の電場が発生する。この電場によって、スリット制御機構４０に静電力が加えられ、梁部４２は、Ｙ軸正方向又はＹ軸負方向へ引き寄せられる。したがって、光共振器１０は、電極３６と電極３７との間に電圧が印加されることにより、スリットＳの形状を動的に変化させることが可能である。

梁部４２をスリットＳの間隔方向（例えば、Ｙ軸正方向又はＹ軸負方向）に変位させる駆動部としての櫛歯部４１（４１ａ，４１ｂ）は、スリット制御機構４０の変位方向に延びた複数の櫛４３を持つ櫛歯形状を有する。図４の例では、櫛歯部４１ａ，４１ｂはそれぞれ３本の櫛４３を有する。Ｓｉ層３１ａは、静電力によりスリット制御機構４０が変位しても櫛歯部４１（４１ａ，４１ｂ）に接触しないように構成される。また、Ｓｉ層３１ａは、電極３６，３７の間に電圧が印加された場合にスリット制御機構４０対して強い静電力を及ぼすように、櫛歯部４１（４１ａ，４１ｂ）の櫛歯形状に合わせた形状を有する。このように、スリット制御機構４０は櫛歯部４１（４１ａ，４１ｂ）を備え、Ｓｉ層３１ａにも櫛歯部４１（４１ａ，４１ｂ）に合わせた形状が設けられる。これにより、静電力を及ぼすための表面積が大きくなり、同一の電場においてより強い静電力をスリット制御機構４０に加えることができる。したがって、電圧源７２の駆動電圧を低減させることが可能である。

また、図４の例では、２つの櫛歯部４１ａ，４１ｂが設けられている。このように、スリット制御機構４０は、複数の櫛歯部４１ａ，４１ｂを備える。また、前述のように、梁部４２は、両端の端部４２ａ，４２ｂを介して、Ｓｉ層３１ｂの他の部分に接続したまま湾曲する。したがって、スリット制御機構４０は、梁部４２を、平行に、すなわち、Ｘ軸方向の位置にかかわらずほぼ一様に、Ｙ軸正方向又はＹ軸負方向、すなわち、スリットＳの間隔方向へ変位させることが可能である。よって、スリット制御機構４０は、光が共振する多層反射膜３５のＺ軸正方向の部分において、梁部４２の縁部をほぼＸ軸に平行に保つことが可能である。

このように、光が共振する範囲において、スリットＳの縁部をほぼ平行に保ちつつ、スリットＳの間隔を変更することで、レーザー光の偏光の方向を、Ｘ軸方向とＹ軸方向のいずれの方向にも定めることができる。スリットＳの間隔に応じて、スリットＳの長手方向と、その長手方向に直行する方向との間で、偏光の方向を切り替えることが可能であることを数値解析により確認したので、以下に説明する。

図５は、数値計算において前提とされた光共振器６０のモデルを示す図である。図５において、反射膜６１，６２はいずれも理想的な導体である。光源６３からは光が出力される。光源６３から出力された光は、反射膜６１，６２の間で往復する。光共振器長は８ｕｍ、波長は１．６ｕｍ、光源の半値全幅は８ｕｍとした。光が共振する領域には、金等の導体６４ａ，６４ｂにより規定されたスリット６５が設けられている。導体６４ａの幅はＷ₁であり、高さはＨである。導体６４ｂの幅はＷ₂であり、高さはＨである。スリット６５の間隔はＭである。２次元で数値計算する場合、導体６４ａ，６４ｂの長さ及びスリット６５の長さは無限大と見なせる。図５に示すように、導体６４ａ，６４ｂの長手方向及びスリット６５の長手方向はＹ軸に平行である。Ｗ₁、Ｗ₂、及びＨは、現実の光共振器の大きさに応じて適宜設定される。

図５のような構成をモデルとして、光共振器６０のスリット６５の効果を有限差分時間領域（ＦＤＴＤ：Finite Difference Time Domain）法を用いた計算により確認した。その結果、以下に説明するように、スリット６５の間隔Ｍに応じて偏光方向を制御可能なことが確認できた。

ＦＤＴＤ法を用いた数値計算により、スリット６５の間隔Ｍを変化させた光共振器６０のモデル内でＴＥモード（Ｅｙ、スリット平行）の光、及びＴＭ（Ｅｘ、スリット垂直）モードの光をＺ方向に往復させることで、各モードの回折損失を見積もった。時間経過に伴い、電場は、回折損失により減衰する。この電場の減衰が遅い方のモードが光共振器６０内で優勢となり、光共振器６０において発振することになる。すなわち、出力されるレーザー光は、電場Ｅｘ、Ｅｙのどちらが優勢かに応じて、スリット６５の長手方向に垂直な方向と平行な方向とのいずれか一方の偏光方向を有することになる。

図６Ａ～図９Ｂは光共振器における電場の減衰を示す図である。図６Ａ～図９Ｂの各々において、横軸は経過時間（単位はピコ秒）、縦軸は電場の大きさ（単位は任意単位）を示す。図６Ａは、スリット６５がない光共振器のＴＭモードの電場減衰を示す図である。スリット６５がない場合とは、導体６４a及び導体６４ｂが設けられない場合、又は、スリットの間隔Ｍが無限大の長さを有する場合に当たる。図６Ｂは、スリット６５がない光共振器のＴＥモードの電場減衰を示す図である。スリット６５がない場合は、図６Ａ及び図６ＢのようにＴＥモードとＴＭモードの両者における、電場減衰の速度は一致した。

これに対し、スリット６５を搭載して、スリット６５の間隔Ｍを変えると、偏光選択性が変化した。図７Ａは、間隔２μｍのスリット６５を有する光共振器６０のＴＭモードの電場減衰を示す図である。図７Ｂは、間隔２μｍのスリット６５を有する光共振器６０のＴＥモードの電場減衰を示す図である。図８Ａは、間隔５μｍのスリット６５を有する光共振器６０のＴＭモードの電場減衰を示す図である。図８Ｂは、間隔５μｍのスリット６５を有する光共振器６０のＴＥモードの電場減衰を示す図である。図９Ａは、間隔８μｍのスリット６５を有する光共振器６０のＴＭモードの電場減衰を示す図である。図９Ｂは、間隔８μｍのスリット６５を有する光共振器６０のＴＥモードの電場減衰を示す図である。

電場Ｅｘ、Ｅｙの減衰をａ，ｂをパラメータとする指数関数の式Ｅ＝ａ・exp（－ｂｔ）でフィッティングし、減衰率をｂにより求めた。その結果、スリット６５の間隔Ｍ＝２ｕｍでは、Ｅｘのｂ＝２０．４、Ｅｙのｂ＝１４．７となり、ＴＥモードが優勢となった。スリット６５の間隔Ｍ＝５ｕｍの場合はＥｘのｂ＝４．７、Ｅｙのｂ＝２．６となり、ＴＥモードが優勢となった。スリット６５の間隔Ｍ＝８ｕｍでは、Ｅｘのｂ＝２．２とＥｙのｂ＝２．９となり、ＴＭモードが優勢となった。このようにスリット６５の間隔Ｍを変えると、Ｅｘ、Ｅｙの減衰率のうち優勢な方が切り替わる。そのため、スリット６５の間隔Ｍを変えることで、偏光選択性を制御することが可能になる。

ＦＤＴＤ法による数値解析は一定の形状を有する光共振器６０のモデルについて行われたが、ＴＥモード及びＴＭモードの電場減衰の傾向は、本実施形態に係る光共振器１０においても同様に当てはまる。したがって、光共振器１０においては、電極３６，３７の間に電圧を印加してスリット制御機構４０をＹ軸方向に変位させてスリットＳの間隔を変化させることで、レーザー光の偏光をＸ軸に平行な方向とＹ軸に平行な方向との間で切り替えることが可能である。本実施形態に係る光共振器１０を用いることにより、スリットＳの有無及びその間隔により、互いに直交する２つの偏光を一つの光源により出力するレーザーを作製することが可能である。よって、光共振器１０によれば、半波長板等の外部素子を設けなくても、直交した二つの偏光についての反射率を測定するような、偏光に依存した測定を行うことが可能である。本実施形態に係る光共振器１０を備えた面発光レーザー１は、偏光依存測定システムの小型化及び低コスト化に寄与することが期待される。

以上のように、本実施形態に係る光共振器１０は、偏光制御機構としての可動式スリット構造を有する。光共振器１０は、ＩｎＰ基板から作製した半ＶＣＳＥＬ構造チップ２０と、ＳＯＩ基板３０とを、電極２４により接合することにより形成される。ＳＯＩ基板３０には予めスリット制御機構４０が作製されている。スリット制御機構４０は、ＳＯＩ基板３０中に作製した梁部４２と、Ｓｉ層３６ｂに対向した櫛歯部４１を有する。電圧源７２により電極３６，３７の間に電圧を印加することで、スリット制御機構４０の周辺に電場が発生し、スリット制御機構４０に静電力が加えられる。その結果、スリット制御機構４０はＹ軸方向に変位し、スリットＳの間隔が変更される。これにより、多層反射膜２２及び多層反射膜３５の間で共振する光が通過可能なスリットＳの間隔を能動的に変化させることができる。よって、印加電圧を変化させることにより、偏光選択性を能動的に制御することが可能となる。

なお、上記実施形態に係る光共振器１０においては、レーザー光の発振波長は一定であるが、比較例に係る構成と同様にＳＯＩ基板３０の多層反射膜３５をＺ軸方向に変位できるようにして、レーザー光の発振波長を動的に変更できるようにしてもよい。例えば、ＳＯＩ基板３０側の多層反射膜３５を変位可能なＳｉメンブレン上に形成し、Ｓｉメンブレン周辺においてＺ軸方向に電場を生成できるようにしてもよい。これにより、電場の生成に応じて、Ｓｉメンブレンは静電力によりＺ軸方向に変位し、反射膜間の距離が変更される。したがって、Ｚ軸方向の電場を生成するための電圧の印加により、レーザー光の発振波長を変更することができる。

また、上記実施形態においては、ＭＥＭＳ－ＶＣＳＥＬのＭＥＭＳチップで構成されたＳＯＩ基板３０に可動式のスリットＳを設けた例を説明したが、可動式のスリットＳの適用対象はこれに限られない。すなわち、一対の反射膜の間で光が共振する領域において、スリットＳの長手方向と直行する方向に静電力により変位するようにスリット制御機構４０を設け、スリット間隔を変更できるようにしてもよい。このようなスリット制御機構４０を備えた光共振器１０によれば、偏光選択性を能動的に制御することが可能である。

以上のように、光共振器１０は、化合物半導体（例えば、ＩｎＰ）、第１の反射膜（例えば、多層反射膜２２）、第２の反射膜（例えば、多層反射膜３５）、及びスリット制御機構４０を備える。スリット制御機構４０は、梁部４２及び駆動部（例えば、櫛歯部４１（４１ａ，４１ｂ））を備える。化合物半導体は、電流の印加により光を出射する。第１の反射膜及び第２の反射膜は、化合物半導体から出射した光を共振する。梁部４２は、第１の反射膜及び第２の反射膜の間に設けられ、光の光路の幅を規制するスリットＳの一方の縁部を規定する。駆動部は、梁部４２をスリットＳの間隔方向（例えば、Ｙ軸正方向又はＹ軸負方向）に変位させる。このように、光共振器１０は、化合物半導体から出射した光を共振する第１の反射膜及び第２の反射膜の間に設けられたスリットＳの間隔を制御可能なスリット制御機構４０を備える。したがって、このような光共振器１０によれば、偏光方向を動的に制御することが可能である。なお、電流の印加により光を出射する化合物半導体は、ＩｎＰに限られず、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰ、又はＡｌＧａＡｓ等により実現してもよい。

また、光共振器１０は、化合物半導体と接合用電極（例えば、電極２４）を介して接合されたＳＯＩ基板３０を更に備える。ＳＯＩ基板３０は、接合用電極に接合する第１のＳｉ層（例えば、Ｓｉ層３１）と、ＳｉＯ₂層（例えば、ＳｉＯ₂層３２）と、第２のＳｉ層（例えば、Ｓｉ層３３）とが積層して構成される。第１の反射膜は、化合物半導体の内部に設けられた第１の多層反射膜である。第２の反射膜は、第２のＳｉ層の、化合物半導体が存在する側の表面に設けられた第２の多層反射膜である。第１のＳｉ層は、第１の多層反射膜及び第２の多層反射膜の間の位置に、スリットＳを有する。スリット制御機構４０（梁部４２及び駆動部）は、第１のＳｉ層の一部として設けられる。このような構成によれば、ＭＥＭＳ－ＶＣＳＥＬにおいて、偏光方向を動的に制御することが可能である。

また、第１のＳｉ層は、スリットＳの長手方向と直行する方向（スリットＳの間隔方向）に分離した、互いに電気的に分離した第３のＳｉ層（例えば、Ｓｉ層３１ｂ）及び第４のＳｉ層（例えば、Ｓｉ層３１ａ）を備える。スリット制御機構４０は、第３のＳｉ層の一部として設けられる。第３のＳｉ層及び第４のＳｉ層の間に電圧が印加されたことに応じて、スリット制御機構４０は、当該電圧に基づき発生する電場に基づき静電力が加えられて、電場の方向へ変位する。このように、第３のＳｉ層及び第４のＳｉ層の間に電圧を印加することで、スリット制御機構４０が変位するため、スリットＳの間隔を制御することが可能である。

また、スリット制御機構４０は、複数の櫛（例えば、櫛４３）を有する駆動部としての櫛歯部（例えば、櫛歯部４１）を備える。このように、スリット制御機構４０は複数の櫛を有する櫛歯部を備えることで、スリット制御機構４０の表面積が大きくなり、スリット制御機構４０には電場に基づき大きな静電力が加えられる。そのため、小さな電圧でスリットＳの間隔を変更することが可能である。なお、図４の例では、櫛歯部４１（４１ａ，４１ｂ）は、それぞれ３本の櫛４３を備えるが、櫛歯部４１は、２本又は４本以上の櫛４３を備えてもよい。

また、梁部は、両端（例えば、４２ａ，４２ｂ）を介して、第１のＳｉ層の他の部分に接続する。駆動部としての櫛歯部４１は、梁部に接続する櫛歯部（例えば、４１ａ，４１ｂ）を備える。このように、梁部に接続する複数の櫛歯部を備えることで、梁部には全体にわたって均等な静電力が加えられる。そのため、電場の発生に応じて梁部はほぼ均等に変位し、スリットＳの第１、第２の多層反射膜の間で光が共振する範囲において、スリットＳの縁部をほぼ平行に保つことができる。なお、図４の例では、スリット制御機構４０には２つの櫛歯部４１ａ，４１ｂが設けられているが、スリット制御機構４０は、３つ以上の櫛歯部４１を備えてもよい。

また、面発光レーザー１は、上記のような光共振器１０を備える。このような構成によれば、スリットの間隔を変更可能な面発光レーザー１を提供することができる。

本開示は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、ブロック図に記載の複数のブロックは統合されてもよいし、又は１つのブロックは分割されてもよい。その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。

１面発光レーザー
９光共振器
１０光共振器
２０半ＶＣＳＥＬ構造チップ
２１ＩｎＰ層
２２多層反射膜
２３，２４電極
３０ＳＯＩ基板
３１，３３Ｓｉ層
３２ＳｉＯ₂層
３４反射防止膜
３５多層反射膜
３６，３７電極
３９開口部
４０スリット制御機構
４１櫛歯部
４２梁部
４２ａ，４２ｂ端部
４３櫛
６０光共振器
６１，６２反射膜
６３光源
６４ａ，６４ｂ導体
６５スリット
７１電流源
７２電圧源
８０半ＶＣＳＥＬ構造チップ
８１ＩｎＰ層
８２多層反射膜
８３，８４電極
８５電流源
９０ＳＯＩ基板
９１，９３Ｓｉ層
９２ＳｉＯ₂層
９４Ｓｉメンブレン
９５多層反射膜
９６反射防止膜
９７電極
９８電圧源
９９開口部
Ｇ、Ｇ₁、Ｇ₂ ギャップ
Ｌレーザー光
Ｍ間隔
Ｓスリット

Claims

電流の印加により光を出射する化合物半導体と、
前記化合物半導体から出射した光を共振するための、第１の反射膜及び第２の反射膜と、
前記第１の反射膜及び前記第２の反射膜の間に設けられ、前記光の光路の幅を規制するスリットの一方の縁部を規定する梁部と、
前記梁部を前記スリットの間隔方向に変位させる駆動部と、
を備える光共振器。
前記化合物半導体と接合用電極を介して接合されたＳＯＩ基板を更に備え、
前記ＳＯＩ基板は、前記接合用電極に接合する第１のＳｉ層と、ＳｉＯ₂層と、第２のＳｉ層とを積層して備え、
前記第１の反射膜は、前記化合物半導体の内部に設けられた第１の多層反射膜であり、
前記第２の反射膜は、前記第２のＳｉ層の、前記化合物半導体が存在する側の表面に設けられた第２の多層反射膜であり、
前記第１のＳｉ層は、前記第１の多層反射膜及び前記第２の多層反射膜の間の位置に、前記スリットを有し、
前記梁部及び前記駆動部は、前記第１のＳｉ層の一部として設けられる、
請求項１に記載の光共振器。
前記第１のＳｉ層は、前記スリットの間隔方向に分離した、互いに電気的に分離した第３のＳｉ層及び第４のＳｉ層を備え、
前記梁部及び前記駆動部は、
前記第３のＳｉ層の一部として設けられ、
前記第３のＳｉ層及び前記第４のＳｉ層の間に電圧が印加されたことに応じて、当該電圧に基づき発生する電場に基づき静電力が加えられて、前記電場の方向へ変位する、
請求項２に記載の光共振器。
前記駆動部は、複数の櫛を有する櫛歯部を備える、請求項３に記載の光共振器。
前記梁部は、両端を介して、前記第１のＳｉ層の他の部分に接続し、
前記駆動部は、前記梁部に接続する複数の前記櫛歯部を備える、
請求項４に記載の光共振器。
請求項１から５のいずれか一項に記載の光共振器を備えた面発光レーザー。