JP3356255B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置Info
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- JP3356255B2 JP3356255B2 JP06355596A JP6355596A JP3356255B2 JP 3356255 B2 JP3356255 B2 JP 3356255B2 JP 06355596 A JP06355596 A JP 06355596A JP 6355596 A JP6355596 A JP 6355596A JP 3356255 B2 JP3356255 B2 JP 3356255B2
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- Japan
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- liquid
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- semiconductor laser
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、共振器長を機械的
に制御可能な外部共振器型の半導体レーザ装置に関す
る。
に制御可能な外部共振器型の半導体レーザ装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】共振器長制御可能な半導体レーザ装置
は、片端面を反射防止処理した半導体光増幅媒質（ＬＤ
チップ）と、その面に対向する位置で光軸に沿って移動
可能な反射板（可動反射板）とにより実現される。この
ような構成で高速に可動反射板の位置決めを行い、かつ
外部からの機械的擾乱に対して高い耐性を保持させるた
めには、可動反射板を微小化することが有効である。そ
の理由は、微小化により可動部の質量を低減できるとと
もに１次共振周波数を大幅に増大させることができ、小
さな駆動力でも広い帯域で可動反射板の位置制御を行う
ことができるからである。
は、片端面を反射防止処理した半導体光増幅媒質（ＬＤ
チップ）と、その面に対向する位置で光軸に沿って移動
可能な反射板（可動反射板）とにより実現される。この
ような構成で高速に可動反射板の位置決めを行い、かつ
外部からの機械的擾乱に対して高い耐性を保持させるた
めには、可動反射板を微小化することが有効である。そ
の理由は、微小化により可動部の質量を低減できるとと
もに１次共振周波数を大幅に増大させることができ、小
さな駆動力でも広い帯域で可動反射板の位置制御を行う
ことができるからである。
【０００３】図７は、共振器長制御可能な従来の半導体
レーザ装置の構成を示す（H.Kiang,et al.,"Silicon-Mi
cromachined Micromirrors with Integrated High-Prec
ision Actuators for External-Cavity Semiconductor
Lasers",IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.8,
NO.1, 1996) 。図において、半導体レーザ装置は、シリ
コン基板１０上に、片端面に反射防止膜１２を付与した
ＬＤチップ１３と、レンズ１４と、可動反射板１５を移
動させる櫛形アクチュエータ１６が実装された構成であ
る。なお、シリコン基板１０とＬＤチップ１３との間に
はサブマウント１１が挿入される。
レーザ装置の構成を示す（H.Kiang,et al.,"Silicon-Mi
cromachined Micromirrors with Integrated High-Prec
ision Actuators for External-Cavity Semiconductor
Lasers",IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.8,
NO.1, 1996) 。図において、半導体レーザ装置は、シリ
コン基板１０上に、片端面に反射防止膜１２を付与した
ＬＤチップ１３と、レンズ１４と、可動反射板１５を移
動させる櫛形アクチュエータ１６が実装された構成であ
る。なお、シリコン基板１０とＬＤチップ１３との間に
はサブマウント１１が挿入される。
【０００４】ＬＤチップ１３の反射防止膜１２側から出
た光は、レンズ１４を介してコリメートビームとなり、
外部反射板として設けられた可動反射板１５で反射して
ＬＤチップ１３に帰還する。帰還効率は、可動反射板１
５の位置によらずほぼ一定である。このＬＤチップ１３
の未処理端面と可動反射板１５とにより共振器が構成さ
れ、外部共振器レーザとなっている。
た光は、レンズ１４を介してコリメートビームとなり、
外部反射板として設けられた可動反射板１５で反射して
ＬＤチップ１３に帰還する。帰還効率は、可動反射板１
５の位置によらずほぼ一定である。このＬＤチップ１３
の未処理端面と可動反射板１５とにより共振器が構成さ
れ、外部共振器レーザとなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図７に示す従来の半導
体レーザ装置では、微小力で高速に可動反射板１５を移
動させるために、可動反射板１５を位置決めする機構部
の減衰率を極めて小さくする必要がある。しかし、減衰
率を小さくすると、位置決め後も共振周波数での余分の
振動を速やかに吸収できないばかりか、外部からの機械
的擾乱により共振が励起されやすい問題点があった。そ
のため、可動反射板１５を一定の位置に保持しておくこ
とができず、安定なレーザ発振動作を得ることが困難に
なっていた。
体レーザ装置では、微小力で高速に可動反射板１５を移
動させるために、可動反射板１５を位置決めする機構部
の減衰率を極めて小さくする必要がある。しかし、減衰
率を小さくすると、位置決め後も共振周波数での余分の
振動を速やかに吸収できないばかりか、外部からの機械
的擾乱により共振が励起されやすい問題点があった。そ
のため、可動反射板１５を一定の位置に保持しておくこ
とができず、安定なレーザ発振動作を得ることが困難に
なっていた。
【０００６】本発明は、共振器長を高速かつ厳密に機械
的に制御でき、かつ外部からの機械的擾乱に強い半導体
レーザ装置を提供することを目的とする。
的に制御でき、かつ外部からの機械的擾乱に強い半導体
レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置は、可動反射板の機構部を液体に浸した構成とし、そ
の液体の粘性を利用して機構部の減衰率を増大させる。
また、液体に誘電体微小球または磁性体微小球を分散さ
せ、液体の粘性を電気的または磁気的に制御できる構成
とする。
置は、可動反射板の機構部を液体に浸した構成とし、そ
の液体の粘性を利用して機構部の減衰率を増大させる。
また、液体に誘電体微小球または磁性体微小球を分散さ
せ、液体の粘性を電気的または磁気的に制御できる構成
とする。
【０００８】一般的には、可動反射板の機構部を線形ば
ねに置き換えることができる。この運動方程式の一般解
は、
ねに置き換えることができる。この運動方程式の一般解
は、
【０００９】
【数１】
【００１０】と表される。ここで、Ａ1 ，Ａ2 は定数、
ω0 は共振周波数、γは減衰率である。また、Ｆ(ω)は
時間的に変化する駆動力ｆ(t) のフーリエ変換である。
実空間での位置は上記の一般解の実数部である。第１項
が駆動力により励起される第一共振を表し、第２項は駆
動力による変位を表す。なお、高次の共振は第一共振に
比べて無視できるほど小さいものとした。この式が示す
ように、減衰率γを大きくすると外力に対する応答は犠
牲になるが、好ましくない共振を速やかに減衰させるこ
とができる。
ω0 は共振周波数、γは減衰率である。また、Ｆ(ω)は
時間的に変化する駆動力ｆ(t) のフーリエ変換である。
実空間での位置は上記の一般解の実数部である。第１項
が駆動力により励起される第一共振を表し、第２項は駆
動力による変位を表す。なお、高次の共振は第一共振に
比べて無視できるほど小さいものとした。この式が示す
ように、減衰率γを大きくすると外力に対する応答は犠
牲になるが、好ましくない共振を速やかに減衰させるこ
とができる。
【００１１】減衰率γは、可動反射板の機構部の内部損
失と周囲を取り囲む物質の粘性により決まるが、微小な
機構部では周囲物質が空気であっても粘性が支配的にな
る。したがって、周囲物質を液体とすることにより減衰
率を増大させ、共振の励起を抑圧することができる。ま
た、周囲物質の粘性を制御することにより、共振の励起
を抑圧したまま駆動力に対する応答を速めることができ
る。すなわち、粘性を低くした状態で可動反射板を移動
し、位置決めした後に粘性を高くすれば、共振を含む位
置ずれを防止することができる。特に、機構部が微小で
あればレイノルズ数が高いので、粘性をある程度高める
と減衰率を大幅に増大させることができ、大きな効果が
期待できる。
失と周囲を取り囲む物質の粘性により決まるが、微小な
機構部では周囲物質が空気であっても粘性が支配的にな
る。したがって、周囲物質を液体とすることにより減衰
率を増大させ、共振の励起を抑圧することができる。ま
た、周囲物質の粘性を制御することにより、共振の励起
を抑圧したまま駆動力に対する応答を速めることができ
る。すなわち、粘性を低くした状態で可動反射板を移動
し、位置決めした後に粘性を高くすれば、共振を含む位
置ずれを防止することができる。特に、機構部が微小で
あればレイノルズ数が高いので、粘性をある程度高める
と減衰率を大幅に増大させることができ、大きな効果が
期待できる。
【００１２】液体の粘性の制御方法には一般的に温度制
御があるが、この方法では高速応答性は実現できない。
そこで、液体中に誘電体微小球を分散させ、電場により
液体の粘性を制御する方法をとる。液体中に分散させた
誘電体微小球は、図６(a) に示すように印加される電場
の勾配に沿って規則的に配列する。ここで、液体に浸さ
れた機構部が移動し、それに伴う剪断応力がこの規則配
列に加わると、図６(b) に示すように配列の規則性が崩
れる。このとき、配列の自由エネルギーは増大するの
で、機構部の移動量をΔｘとすると、形式的に Ｒ＝−ΔＧ／Δｘ の抵抗力が機構部に働く。誘電体微小球の大きさと誘電
率を適当に選ぶと、媒質としての液体の本来の粘性を上
回る大きな粘性を得ることができる。
御があるが、この方法では高速応答性は実現できない。
そこで、液体中に誘電体微小球を分散させ、電場により
液体の粘性を制御する方法をとる。液体中に分散させた
誘電体微小球は、図６(a) に示すように印加される電場
の勾配に沿って規則的に配列する。ここで、液体に浸さ
れた機構部が移動し、それに伴う剪断応力がこの規則配
列に加わると、図６(b) に示すように配列の規則性が崩
れる。このとき、配列の自由エネルギーは増大するの
で、機構部の移動量をΔｘとすると、形式的に Ｒ＝−ΔＧ／Δｘ の抵抗力が機構部に働く。誘電体微小球の大きさと誘電
率を適当に選ぶと、媒質としての液体の本来の粘性を上
回る大きな粘性を得ることができる。
【００１３】また、この構造体は誘電体微小球のわずか
な移動により実現できるので、電場の印加に対して相変
化と同等の高速応答性が期待できる。同様に、液体中に
磁性体微小球を分散させることにより、磁場により液体
の粘性を上記と同様の原理で制御することができる。
な移動により実現できるので、電場の印加に対して相変
化と同等の高速応答性が期待できる。同様に、液体中に
磁性体微小球を分散させることにより、磁場により液体
の粘性を上記と同様の原理で制御することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】 （第１の実施形態）図１は、本発明の半導体レーザ装置
の第１の実施形態を示す。図において、本実施形態の半
導体レーザ装置は、シリコン基板１０上に、片端面に反
射防止膜１２を付与したＬＤチップ１３と、可動反射板
１５を移動させる櫛形アクチュエータ１６とを実装し、
可動反射板１５の機構部１７の一部がシリコン基板１０
に形成された液溜の液体１８に浸された構成である。さ
らに、機構部１７とシリコン基板１０が対向する面に電
極１９−１，１９−２を配置し、液体１８に誘電体微小
球を分散させている。
の第１の実施形態を示す。図において、本実施形態の半
導体レーザ装置は、シリコン基板１０上に、片端面に反
射防止膜１２を付与したＬＤチップ１３と、可動反射板
１５を移動させる櫛形アクチュエータ１６とを実装し、
可動反射板１５の機構部１７の一部がシリコン基板１０
に形成された液溜の液体１８に浸された構成である。さ
らに、機構部１７とシリコン基板１０が対向する面に電
極１９−１，１９−２を配置し、液体１８に誘電体微小
球を分散させている。
【００１５】本構成では、機構部１７の一部を液体１８
に浸すことにより、液体１８の粘性を利用して機構部１
７の減衰率を増大させることができる。また、電極１９
−１，１９−２に電圧を印加することにより機構部１７
の移動方向に対して垂直方向に電場が形成されるので、
その印加電圧を制御することにより上述した原理に基づ
いて液体１８の粘性、すなわち機構部１７の減衰率を制
御することができる。
に浸すことにより、液体１８の粘性を利用して機構部１
７の減衰率を増大させることができる。また、電極１９
−１，１９−２に電圧を印加することにより機構部１７
の移動方向に対して垂直方向に電場が形成されるので、
その印加電圧を制御することにより上述した原理に基づ
いて液体１８の粘性、すなわち機構部１７の減衰率を制
御することができる。
【００１６】ここで、シリコン基板１０上にモノリシッ
ク集積可能な櫛形アクチュエータについて図２を参照し
て説明する。櫛形アクチュエータは、シリコン基板１０
に固定された櫛形電極２１−１と、中空の櫛形電極２１
−２とを互いの櫛歯が噛み合うように対向させた構成で
ある。ただし、中空の櫛形電極２１−２は、遠方で基板
に固定端をもつ両持ち梁とする。
ク集積可能な櫛形アクチュエータについて図２を参照し
て説明する。櫛形アクチュエータは、シリコン基板１０
に固定された櫛形電極２１−１と、中空の櫛形電極２１
−２とを互いの櫛歯が噛み合うように対向させた構成で
ある。ただし、中空の櫛形電極２１−２は、遠方で基板
に固定端をもつ両持ち梁とする。
【００１７】これら２つの電極に電位差Ｖを与えると、
櫛歯が対向する部分（図中の斜線部）にコンデンサが形
成される。このコンデンサに蓄積されるエネルギーをＷ
とすると、 Ｗ＝ＣＶ2／２ となる。このコンデンサの容量Ｃは、櫛歯の間隔ｈが変
わらないので、２つの櫛歯が対向する部分の長さｘに比
例し、 Ｃ＝ｋｘ となる。したがって、対向する部分の長さを変えると、
エネルギーＷは ∂Ｗ／∂ｘ＝ｋＶ2／２ のように変化する。ところで、エネルギーを位置で微分
したものは力である。すなわち、櫛歯のコンデンサ形成
部には電圧の２乗に比例した力が働く。ただし、力はエ
ネルギーを減少させる方向に働くので、図中矢印で示す
方向の引力となる。
櫛歯が対向する部分（図中の斜線部）にコンデンサが形
成される。このコンデンサに蓄積されるエネルギーをＷ
とすると、 Ｗ＝ＣＶ2／２ となる。このコンデンサの容量Ｃは、櫛歯の間隔ｈが変
わらないので、２つの櫛歯が対向する部分の長さｘに比
例し、 Ｃ＝ｋｘ となる。したがって、対向する部分の長さを変えると、
エネルギーＷは ∂Ｗ／∂ｘ＝ｋＶ2／２ のように変化する。ところで、エネルギーを位置で微分
したものは力である。すなわち、櫛歯のコンデンサ形成
部には電圧の２乗に比例した力が働く。ただし、力はエ
ネルギーを減少させる方向に働くので、図中矢印で示す
方向の引力となる。
【００１８】このような櫛形アクチュエータを図３に示
すように２つ用い、遠方で基板に固定された梁２２を介
して両者をプッシュプル構成にすることにより、２つの
櫛形電極２１−２の位置決めをすることができる。たと
えば、この櫛形電極２１−２の１つの櫛歯に可動反射板
１５および機構部１７を連結することにより、本発明の
半導体レーザ装置に用いられる櫛形アクチュエータ１６
が構成される。
すように２つ用い、遠方で基板に固定された梁２２を介
して両者をプッシュプル構成にすることにより、２つの
櫛形電極２１−２の位置決めをすることができる。たと
えば、この櫛形電極２１−２の１つの櫛歯に可動反射板
１５および機構部１７を連結することにより、本発明の
半導体レーザ装置に用いられる櫛形アクチュエータ１６
が構成される。
【００１９】（第２の実施形態）図４は、本発明の半導
体レーザ装置の第２の実施形態を示す。本実施形態の特
徴は、第１の実施形態の電極１９−１，１９−２に代え
て、Ｃ字のヨーク２３にコイル２４を巻き付けて閉磁路
を形成し、ヨーク２３のスペーシングに形成されるほぼ
一様な磁場中に液溜を配置し、その液体１８に磁性体微
小球を分散させた構成にある。この磁場は、第１の実施
形態と同様に、機構部１７の移動方向に対して垂直方向
に形成されるので、コイル２４の電流を制御することに
より液体１８の粘性、すなわち機構部１７の減衰率を制
御することができる。
体レーザ装置の第２の実施形態を示す。本実施形態の特
徴は、第１の実施形態の電極１９−１，１９−２に代え
て、Ｃ字のヨーク２３にコイル２４を巻き付けて閉磁路
を形成し、ヨーク２３のスペーシングに形成されるほぼ
一様な磁場中に液溜を配置し、その液体１８に磁性体微
小球を分散させた構成にある。この磁場は、第１の実施
形態と同様に、機構部１７の移動方向に対して垂直方向
に形成されるので、コイル２４の電流を制御することに
より液体１８の粘性、すなわち機構部１７の減衰率を制
御することができる。
【００２０】（第３の実施形態）図５は、本発明の半導
体レーザ装置の第３の実施形態を示す。本実施形態の特
徴は、ＬＤチップ１３，可動反射板１５，櫛形アクチュ
エータ１６，機構部１７を同一基板上に実装したものを
キャン２５中に液体１８とともに封入した構成にある。
液体１８の粘性制御は、第２の実施形態と同様に磁場で
制御する。また、コイル２４の制御用電極は、ハーメチ
ックシール２７を介して外側に引き出される。なお、Ｌ
Ｄチップ１３および櫛形アクチュエータ１６の駆動用電
極も同様である。
体レーザ装置の第３の実施形態を示す。本実施形態の特
徴は、ＬＤチップ１３，可動反射板１５，櫛形アクチュ
エータ１６，機構部１７を同一基板上に実装したものを
キャン２５中に液体１８とともに封入した構成にある。
液体１８の粘性制御は、第２の実施形態と同様に磁場で
制御する。また、コイル２４の制御用電極は、ハーメチ
ックシール２７を介して外側に引き出される。なお、Ｌ
Ｄチップ１３および櫛形アクチュエータ１６の駆動用電
極も同様である。
【００２１】ＬＤチップ１３の出力光は、ガラス窓２８
を介して外に取り出される。このため、使用する液体１
８は透明であり、また分散させる磁性体微小球は液体１
８と同じ屈折率であることが望ましい。また、ＬＤチッ
プ１３の反射防止処理は液体１８の屈折率を考慮して行
う必要がある。また、ＬＤチップ前面は、その反射率が
液体１８の屈折率による低下を防止するために高反射処
理をすることが望ましい。
を介して外に取り出される。このため、使用する液体１
８は透明であり、また分散させる磁性体微小球は液体１
８と同じ屈折率であることが望ましい。また、ＬＤチッ
プ１３の反射防止処理は液体１８の屈折率を考慮して行
う必要がある。また、ＬＤチップ前面は、その反射率が
液体１８の屈折率による低下を防止するために高反射処
理をすることが望ましい。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体レ
ーザ装置は、液体の粘性により微小の機構部を有する可
動反射板の位置決めを高精度に実現することができる。
また、液体の粘性を電気的または磁気的に制御すること
により、高速制御性と保持性の相反する要求条件を同時
に満足することができる。このような高速・高精度で位
置決め可能な可動反射板を用いた外部共振器レーザを構
成することにより、外部の信号により発振状態を制御す
る半導体レーザ装置を実現することができる。
ーザ装置は、液体の粘性により微小の機構部を有する可
動反射板の位置決めを高精度に実現することができる。
また、液体の粘性を電気的または磁気的に制御すること
により、高速制御性と保持性の相反する要求条件を同時
に満足することができる。このような高速・高精度で位
置決め可能な可動反射板を用いた外部共振器レーザを構
成することにより、外部の信号により発振状態を制御す
る半導体レーザ装置を実現することができる。
【図１】本発明の半導体レーザ装置の第１の実施形態を
示す。
示す。
【図２】櫛形アクチュエータの原理構成を示す図。
【図３】本発明の半導体レーザ装置に用いられる櫛形ア
クチュエータ１６の構成例を示す図。
クチュエータ１６の構成例を示す図。
【図４】本発明の半導体レーザ装置の第２の実施形態を
示す。
示す。
【図５】本発明の半導体レーザ装置の第３の実施形態を
示す。
示す。
【図６】本発明における液体の粘性制御の原理を説明す
る図。
る図。
【図７】共振器長制御可能な従来の半導体レーザ装置の
構成を示す図。
構成を示す図。
１０ シリコン基板 １１ サブマウント １２ 反射防止膜 １３ ＬＤチップ １４ レンズ １５ 可動反射板 １６ 櫛形アクチュエータ １７ 機構部 １８ 液体 １９ 電極 ２１ 櫛形電極 ２２ 梁 ２３ ヨーク ２４ コイル ２５ キャン ２７ ハーメチックシール ２８ ガラス窓
フロントページの続き (72)発明者 猿渡 正俊 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−168088（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−165116（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−50589（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−63364（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−188497（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−106854（ＪＰ，Ｕ) ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ, 1996年，８［１］，ｐ．95−97 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50
Claims (4)
- 【請求項１】 片端面が反射防止処理された半導体光増
幅媒質と、その面に対向する位置に配置された可動反射
板とを備えた外部共振器型の半導体レーザ装置におい
て、 前記可動反射板を光軸方向に位置決めする機構部を備
え、その機構部が液体に浸された構成であることを特徴
とする半導体レーザ装置。 - 【請求項２】 液体の粘性を制御する手段を備えたこと
を特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項３】 液体の粘性を制御する手段は、誘電体微
小球を分散させた液体に電場を印加する構成であること
を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項４】 液体の粘性を制御する手段は、磁性体微
小球を分散させた液体に磁場を印加する構成であること
を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06355596A JP3356255B2 (ja) | 1996-03-19 | 1996-03-19 | 半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06355596A JP3356255B2 (ja) | 1996-03-19 | 1996-03-19 | 半導体レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09260768A JPH09260768A (ja) | 1997-10-03 |
| JP3356255B2 true JP3356255B2 (ja) | 2002-12-16 |
Family
ID=13232594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06355596A Expired - Fee Related JP3356255B2 (ja) | 1996-03-19 | 1996-03-19 | 半導体レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3356255B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2812769B1 (fr) * | 2000-08-04 | 2003-08-29 | Cit Alcatel | Laser accordable en semi-conducteur a emission par la tranche |
| JP5028805B2 (ja) * | 2006-01-23 | 2012-09-19 | 富士通株式会社 | 光モジュール |
-
1996
- 1996-03-19 JP JP06355596A patent/JP3356255B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９６年，８［１］，ｐ．９５−９７ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09260768A (ja) | 1997-10-03 |
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