JP3623473B2 - マイクロレンズ一体型表面光レーザー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面光レーザーに係り、より詳細には、レーザー光が出射される側にマイクロレンズが一体に形成されたマイクロレンズ一体型表面光レーザーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に表面光レーザーは半導体物質層の積層方向に光を出射するために、他の光学素子との結合が容易で設置が簡単なだけでなく、二次元配列を有するように製造が可能であるので、光通信及び光信号を用いたインターフェース技術などの光伝送システムや記録／再生用光ヘッドで光源として広く応用できる。
【０００３】
図１を参照すれば、従来の表面光レーザーは、基板１０と、前記基板１０上に順次に積層形成された下部反射基層１１、活性層１２、高抵抗部１３及び上部反射基層１４と、前記上部反射基層１４上の光が出射されるウィンドウ１８を除外した領域に形成された上部電極１６と、前記基板１０の下面に形成された下部電極１７とよりなっている。
【０００４】
前記下部反射基層１１及び上部反射基層１４は、屈折率が相異なる化合物半導体を交互に積層して形成されたブラッグ反射器（ＤＢＲ： Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）であり、相異なる形にドーピングされている。すなわち、前記基板１０はｎ型にドーピングされており、前記下部反射基層１１は前記基板１０と同じ形のｎ型、前記上部反射基層１４はｐ型にドーピングされている。
【０００５】
前記高抵抗部１３は上、下部電極１６、１７を通じて印加された電流が前記活性層１２の中央部側に流れるように電流の流れをガイドする。
【０００６】
前記活性層１２は前記上、下部電極１６、１７を通じて印加された電流により前記上、下部反射基層１４、１１から供給された正孔と電子との結合により光が生じる領域である。
【０００７】
前記活性層１２で生じた光は前記上、下部反射基層１４、１１で反復して反射されつつその共振条件に合う波長の光だけが生き残り、この生き残った光は前記ウィンドウ１８を通じて出射される。
【０００８】
前記のような従来の表面光レーザーにおいて、前記ウィンドウ１８を通じて出射されるレーザー光は所定の放射角を有する。
【０００９】
したがって、例えば、前記のような表面光レーザーを光ケーブルを採用した光伝送システムの光源として使用する時、表面光レーザーから出力された光を光ケーブルに効率的に光カップリングさせるためには、表面光レーザーと光ケーブルの入力端との間に表面光レーザーから出力される発散光を集束光に変える集束レンズを具備せねばならない。
【００１０】
また、表面光レーザーから出射された光の光ケーブルへの光カップリング効率を最大化するためには、整列過程及び／または使用中に表面光レーザーから出射され、集束レンズにより集束される光の集束位置を調整する別の手段が必要である。
【００１１】
したがって、従来の表面光レーザーを用いて光学システムを構成すれば部品数が多くて構造が複雑なだけでなく、前記表面光レーザーから出射されたレーザー光の中心軸とレンズとを光軸整列させる過程などを必要とするため、光軸整列構造が複雑であるという短所がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような点を勘案して案出されたものであり、光学システムの構成時に別の集束レンズ及び光の集束位置などを調整する手段が要らないように、レーザー光が出力される側に位置可変自在にマイクロレンズが一体に形成された表面光レーザーを提供することにその目的がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーは、半導体物質層の積層方向にレーザー光を出射する表面光レーザー部と、前記表面光レーザー部から出射される光を透過させる物質より形成されたマイクロレンズと、前記表面光レーザー部とマイクロレンズとの間に位置し、前記マイクロレンズと前記表面光レーザー部との間隔を可変させる可変部とを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明の一特徴によれば、前記可変部は圧電ポリマーよりなる圧電物質層を具備する。
【００１５】
この時、前記表面光レーザー部、可変部及びマイクロレンズの各々は独立的に製造され、ボンディングにより互いに一体に結合されうる。
【００１６】
本発明の他の特徴によれば、前記可変部は圧電セラミックよりなる圧電物質層を具備し、前記圧電物質層の中央部には表面光レーザー部から出射された光を通過させる開口を備える。
【００１７】
この時、前記表面光レーザー部及び可変部は連続的な製造工程を通じて一体に形成されうる。
【００１８】
ここで、前記可変部の圧電物質層は少なくとも一層以上よりなることが望ましい。
【００１９】
また、前記表面光レーザー部と可変部との間には、電気的に互いに独立するように絶縁層がさらに備わることが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施例について詳細に説明する。
【００２１】
図２を参照すれば、本発明の一実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーは、半導体物質層の積層方向にレーザー光を出射する表面光レーザー部１００と、前記表面光レーザー部１００から出射される光を透過させる物質より形成されたマイクロレンズ１９０と、前記表面光レーザー部１００とマイクロレンズ１９０との間に位置して前記マイクロレンズ１９０と前記表面光レーザー部１００との間隔を可変させる可変部とを含んでなる。
【００２２】
前記表面光レーザー部１００は、基板１０１と、基板１０１の下面に形成された下部電極１５５と、基板１０１上に順次に積層形成された下部反射基層１１０、活性層１２０及び上部反射基層１４０と、上部反射基層１４０上のレーザー光の出射のための領域を除外した領域に形成された上部電極１５１とを含んでなる。
【００２３】
前記基板１０１は例えば、ｎ型にドーピングされたＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓまたはＧａＰなどの半導体物質よりなっている。
【００２４】
前記下部反射基層１１０と上部反射基層１４０とは、屈折率が相異なる半導体化合物を交互に積層して形成される。例えば、前記上、下部反射基層１４０、１１０は屈折率が相異なるＡｌＧａＡｓ層を反復して積層して形成される。
【００２５】
この時、図２に示したように、生じたレーザー光が大部分上部反射基層１４０を通じて出射される構造である場合、上部反射基層１４０は相対的に低い反射率を有し、下部反射基層１１０は上部反射基層１４０より高反射率を有するように形成される。このような反射率は半導体化合物の積層数によって変わるので、前記上部反射基層１４０が下部反射基層１１０より小さな積層数を有するように形成すれば、上部反射基層１４０の反射率を下部反射基層１１０より小さくすることができる。ここで、前記基板１０１がｎ型である場合、下部反射基層１１０は前記基板１０１と同じ形のｎ型、上部反射基層１４０はｐ型不純物で各々ドーピングされる。
【００２６】
前記上部反射基層１４０と下部反射基層１１０とは、上、下部電極１５１、１５５を通じて印加された電流によって電子と正孔との流れを誘導し、活性層１２０で生じた光を反射させてその共振条件に合う光だけを前記上部反射基層１４０を通じて出射させる。
【００２７】
前記活性層１２０は前記上、下部反射基層１４０、１１０で提供された正孔と電子との再結合によるエネルギー遷移によって光を生成する領域であり、単一または多重量子−ウェル構造、超格子構造を有する。ここで、前記活性層１２０は表面光レーザーの出射波長によって例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ及び／またはＡｌＧａＡｓＰよりなる。
【００２８】
一方、前記上部反射基層１４０の一部領域には前記上部電極１６０を通じて印加された電流の流れをガイドする高抵抗部１３０がさらに形成されたことが望ましい。
【００２９】
前記高抵抗部１３０は、上部反射基層１４０の中間に予備酸化層（図示せず）を積層し、この予備酸化層を酸化雰囲気に露出させてその外側部から酸化された酸化絶縁膜、すなわち、高抵抗領域を形成する選択的酸化法により形成されたり、あるいは陽性子のようなイオンを注入して形成される。
【００３０】
前記のように構成された表面光レーザー部１００は、上、下部電極１５１、１５５を通じて順方向バイアスが印加されれば、電流が前記高抵抗部１３０によりガイドされて活性層１２０の中央部を通じて流れ、上、下部反射基層１４０、１１０で生じた電子と正孔とが活性層１２０で再結合して光が生じる。この生じた光のうち上、下部反射基層１４０、１１０間を往来しつつその共振条件に合う特定波長の光（結果的に、出射されるレーザー光）だけが生き残って増幅され、上部反射基層１４０を透過して出射される。
【００３１】
前記マイクロレンズ１９０は、表面光レーザー部１００から出射される発散光を集束させるように凸レンズ曲面１９０ａを有する。このような構造のマイクロレンズ１９０は、表面光レーザー部１００から出射されるレーザー光に対して透明な材質のフラット部材に拡散制御エッチングまたはスポット融解方式により形成される。
【００３２】
ここで、拡散制御エッチングはフラット部材上に開口を有するエッチングマスク（図示せず）を位置させたり形成させ、これをフラット部材物質に対して拡散制御エッチングを起こす臭素（Ｂｒ２）のようなエッチング剤が適切な濃度で含まれた化学エッチング液に所定時間浸せば、化学エッチング液に含まれたエッチング剤、例えば、臭素の拡散による空間的エッチング速度の差によりフラット部材の開口に露出された部分がエッチングされて凸状にエッチングされる原理を用いる。
【００３３】
このような拡散制御エッチングを用いれば、前記表面光レーザー部１００で発振した波長より相対的に大きいバンドギャップを有する半導体物質で前記マイクロレンズ１９０を形成できる。拡散制御エッチングにより半導体物質でマイクロレンズ１９０を製造する技術は、本出願人が日本出願番号１２−４０８５５（出願日２０００．２．１８）の“マイクロレンズ及びその製造方法並びにマイクロレンズ一体型表面光レーザー及びその製造方法”に開示している。したがって、ここでは拡散制御エッチングにより半導体物質で本発明に係るマイクロレンズ１９０を製造する方法についての詳細な説明は省略する。
【００３４】
スポット融解方式はフラット部材の所定位置に強いレーザー光スポットを照射してその部分を溶かした後、徐々に冷却させれば、融解された部分の物質が表面エネルギーが最小化される方向に再配列されつつ凸曲面に形成される原理を用いる。この時、冷却条件や融解面積などを制御すれば、所望の曲率を有するマイクロレンズ１９０の曲面１９０ａを形成できる。
【００３５】
前記のようなマイクロレンズ１９０は、表面光レーザー部１００から出射された発散光を集束させて所定位置に集束する。したがって、可変部により表面光レーザー部１００に対するマイクロレンズ１９０の相対的な位置を可変させれば、表面光レーザー部１００から出射された光の集束位置を可変できる。
【００３６】
前記可変部は、圧電物質層１７０とその下、上面に形成された一対の駆動電極１７１、１７５とを含んでなる。
【００３７】
本発明の一実施例において、前記圧電物質層１７０は、表面光レーザー部１００から出射された光を透過させる圧電ポリマー、例えば、ＰＶＡ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）系の圧電ポリマーよりなることが望ましい。
【００３８】
前記のように圧電ポリマーよりなる圧電物質層１７０は相対的に集束位置の高変位が可能であり、容易に製造できるという利点がある。
【００３９】
ここで、前記圧電物質層１７０は少なくとも一層以上で形成される。すなわち、本発明に係る表面光レーザーが相対的に集束位置の小さな変位を必要とする光学システムに採用される場合、前記圧電物質層１７０は単層で備わる。
【００４０】
これに対し、本発明に係る表面光レーザーが相対的に集束位置の大きい変位を必要とする光学システムに採用される場合、前記圧電物質層１７０は複数層で形成され、複数層の間は電気的に並列に接続されたことが望ましい。圧電物質層１７０の変位量は圧電物質層１７０の厚さに比例するが、厚い圧電物質層１７０を変位させるためには大きい印加電圧が必要である。しかし、本発明のように圧電物質層１７０を電気的に並列接続された複数層で形成すれば、小さな印加電圧で駆動自在でありながら全体的に厚いため、大きい変位が得られる。
【００４１】
一方、圧電物質層１７０を光を透過させる圧電ポリマーで形成する場合、表面光レーザー部１００から出射される光の経路を開口させる必要がないために、前記一対の駆動電極１７１、１７５としてはＩＴＯのような透明電極を具備して、駆動電極１７１、１７５を前記圧電物質層１７０の下、上面の全体にわたって形成することが望ましい。
【００４２】
前記のように可変部のための一対の駆動電極１７１、１７５を具備する構造である場合、前記可変部の下部駆動電極１７１と表面光レーザー部１００の上部電極１５１との間には絶縁層１６０がさらに備わって、前記表面光レーザー部１００と可変部とを電気的に互いに独立させるようになったことが望ましい。
【００４３】
ここで、前記可変部と表面光レーザー部１００とは、共通電極を使用する構造で形成される場合もある。この場合、前記絶縁層１６０は不要である。
【００４４】
前記のように構成された本発明の一実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーで、表面光レーザー部１００、可変部及びマイクロレンズ１９０は各々別途に製造した後、ボンディングにより互いに一体に結合される。ここで、前記表面光レーザー部１００、可変部及びマイクロレンズ１９０は連続工程を通じて製造される場合もある。
【００４５】
前記のように構成された本発明の一実施例に係るマイクロレンズ１９０一体型表面光レーザーは次のように作動する。
【００４６】
まず、図２に示したように、電圧が印加されない状態での圧電物質層１７０の厚さをｄｏ、その時の光の集束位置をｆｏとする時、前記一対の駆動電極１７１、１７５に所定大きさの電圧Ｖをかければ、圧電物質層１７０の厚さはｄｏからｄに増加し、表面光レーザー部１００から出射されたレーザー光はマイクロレンズ１９０により集束されてその集束位置はｆｏからｆに変わる。
【００４７】
印加電圧Ｖを減少させて圧電物質層１７０の厚さが△ｄだけ縮まれば、表面光レーザー部１００から出射された光はｆより近いｆ‘の位置に集束される。
【００４８】
反対に、印加電圧Ｖを増加させて圧電物質層１７０の厚さが△ｄ‘だけ増えれば、表面光レーザー部１００から出射された光はｆより遠いｆ“の位置に集束される。
【００４９】
そして、電圧を印加しなければ、圧電物質層１７０の厚さは元の厚さｄｏになり、表面光レーザー部１００から出射された光はｆｏ位置に集束される。
【００５０】
図４は、本発明の他の実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーを概略的に示す図面である。ここで、図２と同じ参照符号は実質的に同一の機能をする同一部材を示す。
【００５１】
本実施例において、可変部は圧電セラミックよりなる圧電物質層２７０と、前記圧電物質層２７０の下、上面に形成された一対の駆動電極２７１、２７５とを含んでなる。
【００５２】
この時、圧電セラミックは光に対して不透明であるので、前記圧電物質層２７０はその中央部に表面光レーザー部１００から出射された光を通過させるための開口２７０ａを具備する。そして、一対の駆動電極２７１、２７５は前記圧電物質層２７０の下、上面の開口２７０ａを除外した領域に形成されたことが望ましい。
【００５３】
前記のように圧電セラミックよりなる圧電物質層２７０は相対的に速い反応が得られるという利点がある。
【００５４】
ここで、前記圧電物質層２７０は本発明の一実施例に係る圧電物質層１７０と同じく、少なくとも一層以上で形成される。すなわち、本発明の他の実施例に係る表面光レーザーが相対的に集束位置の小さな変位を必要とする光学システムに採用される場合、前記圧電物質層２７０は単層で形成される。反面に、本発明の他の実施例に係る表面光レーザーが相対的に集束位置の大きい変位を必要とする光学システムに採用される場合、前記圧電物質層２７０は複数層で形成され、複数層の間は電気的に並列接続されて、相対的に小さな電圧を印加して相対的に厚い複数層構造の圧電物質層２７０を駆動できるようになったことが望ましい。
【００５５】
本実施例の可変部と表面光レーザー部１００は本発明の一実施例で説明したように、共通電極を使用する構造で形成でき、この場合、本発明の他の実施例に係る表面光レーザーは絶縁層１６０がない構造を有する。
【００５６】
前記のように構成された本発明の他の実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーで、表面光レーザー部１００及び可変部は圧電セラミックの特性上、連続工程を通じて一体に形成される場合もある。
【００５７】
この時、前記マイクロレンズ１９０は連続的な製造工程を通じて前記表面光レーザー部１００及び可変部と一体に形成されたり、別途に製造された後、ボンディングにより前記可変部に一体に結合されたりする。
【００５８】
前記のように構成された本発明の他の実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーは、図２及び図３を参照して説明した本発明の一実施例と同じく、表面光レーザー部１００から出射され、マイクロレンズ１９０により集束される光の集束位置を可変させうる。
【００５９】
図２ないし図４を参照して以上で説明した本発明の実施例に係る表面光レーザーは、表面光レーザー部１００に可変部及びマイクロレンズ１９０が一体化して表面光レーザー部１００から出射される発散光を集束光に変えうるだけでなく、追加的な調整手段なしに集束された光の集束位置を調節できる。
【００６０】
したがって、光ファイバを用いた光通信システムに本発明に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーを採用すれば、表面光レーザーと光ファイバとの間に別のボールレンズ（図示せず）なしに充分の光カップリングが得られるだけでなく、一体化した可変部により表面光レーザー部１００に対するマイクロレンズ１９０の相対的な位置を調整しつつ、表面光レーザーから出射された光の光ケーブルへの光カップリング効率を極大化できて、光軸整列構造が簡単で部品数を大きく減少できる。
【００６１】
また、本発明に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーを自由空間を通じて光信号を送受信するようになった光信号を用いたインターフェースに採用する場合、別の集束レンズが不要であり、集束位置の調整が可能であるので、光送受信部間の距離配置の自由度が大きくて光学的な構造が簡単で整列が簡単なだけでなく、表面光レーザー及び／または光検出素子をコンパックにアレイに配置できる。
【００６２】
以上で、本発明に係る表面光レーザーは集束光が出射されるように備えられたものと説明及び示したが、これに限定されることなく、平行光が出射されるように備えられる場合もある。これは本発明に係るマイクロレンズ１９０が適正曲率を有することによって可能である。このように平行光を出射するようになった本発明に係る表面光レーザーはコリメーティングされた平行光を必要とする光ヘッドのような光学システムに採用でき、この場合、従来の表面光レーザーを使用する場合とは違ってコリメーティングレンズが要らない利点がある。
【００６３】
また、以上では本発明に係るマイクロレンズ１９０が拡散制御エッチングまたはスポット融解方式により形成された凸レンズ曲面を有するものと説明及び示したが、本発明はこれに限定されず、前記マイクロレンズ１９０は凹レンズ曲面を有する場合もある。
【００６４】
この時、マイクロレンズ１９０の凹レンズ曲面は、例えば、等方性エッチングなどを用いて形成される。ここで、等方性エッチングは半導体分野で公知のように、アモルファス物質よりなるフラット部材の所定部分だけを開口させた状態でエッチング工程を行なえば、その開口された部分が等方性にエッチングされる技術である。
【００６５】
前記のように本発明に係る表面光レーザーが凹レンズ曲面を有するマイクロレンズを具備すれば、表面光レーザー部１００から出射された発散光はさらに大きい角度で発散でき、可変部でマイクロレンズ１９０の位置を可変させれば、光の発散角を調節できる。したがって、凹レンズ曲面を有するマイクロレンズ１９０を具備する本発明に係る表面光レーザーは、光源から短距離内で相対的に大きいビームを必要とする光学システムに効率的に採用されうる。
【００６６】
一方、本発明に係る表面光レーザーによれば、光出力パワー及び／または温度変化によって表面光レーザーから出射される光の波長が変わる場合にも、可変部により表面光レーザー部１００とマイクロレンズ１９０との相対的な間隔を調整することにより、最適化した平行光、集束光または発散光を出射させうる。
【００６７】
【発明の効果】
前記のような本発明に係る表面光レーザーは、表面光レーザー部、可変部及びマイクロレンズよりなるので、光学システムの構成時に別の集束レンズ及び光の集束位置などを調整する手段が要らない。
【００６８】
したがって、本発明に係る表面光レーザーを採用して光学システムを構成すれば、光軸整列構造が簡単で配置の自由度が増加するだけでなく、部品数が大きく節減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の表面光レーザーを概略的に示す図面である。
【図２】本発明の一実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーを概略的に示す図面である。
【図３】図２に示したマイクロレンズ一体型表面光レーザーで可変部により光の集束位置が調節されることを示す図面である。
【図４】本発明の他の実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーを概略的に示す図面である。
【符号の説明】
１００ 表面光レーザー部
１０１ 基板
１１０ 下部反射基層
１２０ 活性層
１３０ 高抵抗部
１４０ 上部反射基層
１５１ 上部電極
１５５ 下部電極
１６０ 上部電極
１７０ 圧電物質層
１７１、１７５ 駆動電極
１９０ マイクロレンズ
１９０ａ 凸レンズ曲面
【発明の属する技術分野】
本発明は表面光レーザーに係り、より詳細には、レーザー光が出射される側にマイクロレンズが一体に形成されたマイクロレンズ一体型表面光レーザーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に表面光レーザーは半導体物質層の積層方向に光を出射するために、他の光学素子との結合が容易で設置が簡単なだけでなく、二次元配列を有するように製造が可能であるので、光通信及び光信号を用いたインターフェース技術などの光伝送システムや記録／再生用光ヘッドで光源として広く応用できる。
【０００３】
図１を参照すれば、従来の表面光レーザーは、基板１０と、前記基板１０上に順次に積層形成された下部反射基層１１、活性層１２、高抵抗部１３及び上部反射基層１４と、前記上部反射基層１４上の光が出射されるウィンドウ１８を除外した領域に形成された上部電極１６と、前記基板１０の下面に形成された下部電極１７とよりなっている。
【０００４】
前記下部反射基層１１及び上部反射基層１４は、屈折率が相異なる化合物半導体を交互に積層して形成されたブラッグ反射器（ＤＢＲ： Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）であり、相異なる形にドーピングされている。すなわち、前記基板１０はｎ型にドーピングされており、前記下部反射基層１１は前記基板１０と同じ形のｎ型、前記上部反射基層１４はｐ型にドーピングされている。
【０００５】
前記高抵抗部１３は上、下部電極１６、１７を通じて印加された電流が前記活性層１２の中央部側に流れるように電流の流れをガイドする。
【０００６】
前記活性層１２は前記上、下部電極１６、１７を通じて印加された電流により前記上、下部反射基層１４、１１から供給された正孔と電子との結合により光が生じる領域である。
【０００７】
前記活性層１２で生じた光は前記上、下部反射基層１４、１１で反復して反射されつつその共振条件に合う波長の光だけが生き残り、この生き残った光は前記ウィンドウ１８を通じて出射される。
【０００８】
前記のような従来の表面光レーザーにおいて、前記ウィンドウ１８を通じて出射されるレーザー光は所定の放射角を有する。
【０００９】
したがって、例えば、前記のような表面光レーザーを光ケーブルを採用した光伝送システムの光源として使用する時、表面光レーザーから出力された光を光ケーブルに効率的に光カップリングさせるためには、表面光レーザーと光ケーブルの入力端との間に表面光レーザーから出力される発散光を集束光に変える集束レンズを具備せねばならない。
【００１０】
また、表面光レーザーから出射された光の光ケーブルへの光カップリング効率を最大化するためには、整列過程及び／または使用中に表面光レーザーから出射され、集束レンズにより集束される光の集束位置を調整する別の手段が必要である。
【００１１】
したがって、従来の表面光レーザーを用いて光学システムを構成すれば部品数が多くて構造が複雑なだけでなく、前記表面光レーザーから出射されたレーザー光の中心軸とレンズとを光軸整列させる過程などを必要とするため、光軸整列構造が複雑であるという短所がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような点を勘案して案出されたものであり、光学システムの構成時に別の集束レンズ及び光の集束位置などを調整する手段が要らないように、レーザー光が出力される側に位置可変自在にマイクロレンズが一体に形成された表面光レーザーを提供することにその目的がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーは、半導体物質層の積層方向にレーザー光を出射する表面光レーザー部と、前記表面光レーザー部から出射される光を透過させる物質より形成されたマイクロレンズと、前記表面光レーザー部とマイクロレンズとの間に位置し、前記マイクロレンズと前記表面光レーザー部との間隔を可変させる可変部とを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明の一特徴によれば、前記可変部は圧電ポリマーよりなる圧電物質層を具備する。
【００１５】
この時、前記表面光レーザー部、可変部及びマイクロレンズの各々は独立的に製造され、ボンディングにより互いに一体に結合されうる。
【００１６】
本発明の他の特徴によれば、前記可変部は圧電セラミックよりなる圧電物質層を具備し、前記圧電物質層の中央部には表面光レーザー部から出射された光を通過させる開口を備える。
【００１７】
この時、前記表面光レーザー部及び可変部は連続的な製造工程を通じて一体に形成されうる。
【００１８】
ここで、前記可変部の圧電物質層は少なくとも一層以上よりなることが望ましい。
【００１９】
また、前記表面光レーザー部と可変部との間には、電気的に互いに独立するように絶縁層がさらに備わることが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施例について詳細に説明する。
【００２１】
図２を参照すれば、本発明の一実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーは、半導体物質層の積層方向にレーザー光を出射する表面光レーザー部１００と、前記表面光レーザー部１００から出射される光を透過させる物質より形成されたマイクロレンズ１９０と、前記表面光レーザー部１００とマイクロレンズ１９０との間に位置して前記マイクロレンズ１９０と前記表面光レーザー部１００との間隔を可変させる可変部とを含んでなる。
【００２２】
前記表面光レーザー部１００は、基板１０１と、基板１０１の下面に形成された下部電極１５５と、基板１０１上に順次に積層形成された下部反射基層１１０、活性層１２０及び上部反射基層１４０と、上部反射基層１４０上のレーザー光の出射のための領域を除外した領域に形成された上部電極１５１とを含んでなる。
【００２３】
前記基板１０１は例えば、ｎ型にドーピングされたＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓまたはＧａＰなどの半導体物質よりなっている。
【００２４】
前記下部反射基層１１０と上部反射基層１４０とは、屈折率が相異なる半導体化合物を交互に積層して形成される。例えば、前記上、下部反射基層１４０、１１０は屈折率が相異なるＡｌＧａＡｓ層を反復して積層して形成される。
【００２５】
この時、図２に示したように、生じたレーザー光が大部分上部反射基層１４０を通じて出射される構造である場合、上部反射基層１４０は相対的に低い反射率を有し、下部反射基層１１０は上部反射基層１４０より高反射率を有するように形成される。このような反射率は半導体化合物の積層数によって変わるので、前記上部反射基層１４０が下部反射基層１１０より小さな積層数を有するように形成すれば、上部反射基層１４０の反射率を下部反射基層１１０より小さくすることができる。ここで、前記基板１０１がｎ型である場合、下部反射基層１１０は前記基板１０１と同じ形のｎ型、上部反射基層１４０はｐ型不純物で各々ドーピングされる。
【００２６】
前記上部反射基層１４０と下部反射基層１１０とは、上、下部電極１５１、１５５を通じて印加された電流によって電子と正孔との流れを誘導し、活性層１２０で生じた光を反射させてその共振条件に合う光だけを前記上部反射基層１４０を通じて出射させる。
【００２７】
前記活性層１２０は前記上、下部反射基層１４０、１１０で提供された正孔と電子との再結合によるエネルギー遷移によって光を生成する領域であり、単一または多重量子−ウェル構造、超格子構造を有する。ここで、前記活性層１２０は表面光レーザーの出射波長によって例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ及び／またはＡｌＧａＡｓＰよりなる。
【００２８】
一方、前記上部反射基層１４０の一部領域には前記上部電極１６０を通じて印加された電流の流れをガイドする高抵抗部１３０がさらに形成されたことが望ましい。
【００２９】
前記高抵抗部１３０は、上部反射基層１４０の中間に予備酸化層（図示せず）を積層し、この予備酸化層を酸化雰囲気に露出させてその外側部から酸化された酸化絶縁膜、すなわち、高抵抗領域を形成する選択的酸化法により形成されたり、あるいは陽性子のようなイオンを注入して形成される。
【００３０】
前記のように構成された表面光レーザー部１００は、上、下部電極１５１、１５５を通じて順方向バイアスが印加されれば、電流が前記高抵抗部１３０によりガイドされて活性層１２０の中央部を通じて流れ、上、下部反射基層１４０、１１０で生じた電子と正孔とが活性層１２０で再結合して光が生じる。この生じた光のうち上、下部反射基層１４０、１１０間を往来しつつその共振条件に合う特定波長の光（結果的に、出射されるレーザー光）だけが生き残って増幅され、上部反射基層１４０を透過して出射される。
【００３１】
前記マイクロレンズ１９０は、表面光レーザー部１００から出射される発散光を集束させるように凸レンズ曲面１９０ａを有する。このような構造のマイクロレンズ１９０は、表面光レーザー部１００から出射されるレーザー光に対して透明な材質のフラット部材に拡散制御エッチングまたはスポット融解方式により形成される。
【００３２】
ここで、拡散制御エッチングはフラット部材上に開口を有するエッチングマスク（図示せず）を位置させたり形成させ、これをフラット部材物質に対して拡散制御エッチングを起こす臭素（Ｂｒ２）のようなエッチング剤が適切な濃度で含まれた化学エッチング液に所定時間浸せば、化学エッチング液に含まれたエッチング剤、例えば、臭素の拡散による空間的エッチング速度の差によりフラット部材の開口に露出された部分がエッチングされて凸状にエッチングされる原理を用いる。
【００３３】
このような拡散制御エッチングを用いれば、前記表面光レーザー部１００で発振した波長より相対的に大きいバンドギャップを有する半導体物質で前記マイクロレンズ１９０を形成できる。拡散制御エッチングにより半導体物質でマイクロレンズ１９０を製造する技術は、本出願人が日本出願番号１２−４０８５５（出願日２０００．２．１８）の“マイクロレンズ及びその製造方法並びにマイクロレンズ一体型表面光レーザー及びその製造方法”に開示している。したがって、ここでは拡散制御エッチングにより半導体物質で本発明に係るマイクロレンズ１９０を製造する方法についての詳細な説明は省略する。
【００３４】
スポット融解方式はフラット部材の所定位置に強いレーザー光スポットを照射してその部分を溶かした後、徐々に冷却させれば、融解された部分の物質が表面エネルギーが最小化される方向に再配列されつつ凸曲面に形成される原理を用いる。この時、冷却条件や融解面積などを制御すれば、所望の曲率を有するマイクロレンズ１９０の曲面１９０ａを形成できる。
【００３５】
前記のようなマイクロレンズ１９０は、表面光レーザー部１００から出射された発散光を集束させて所定位置に集束する。したがって、可変部により表面光レーザー部１００に対するマイクロレンズ１９０の相対的な位置を可変させれば、表面光レーザー部１００から出射された光の集束位置を可変できる。
【００３６】
前記可変部は、圧電物質層１７０とその下、上面に形成された一対の駆動電極１７１、１７５とを含んでなる。
【００３７】
本発明の一実施例において、前記圧電物質層１７０は、表面光レーザー部１００から出射された光を透過させる圧電ポリマー、例えば、ＰＶＡ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）系の圧電ポリマーよりなることが望ましい。
【００３８】
前記のように圧電ポリマーよりなる圧電物質層１７０は相対的に集束位置の高変位が可能であり、容易に製造できるという利点がある。
【００３９】
ここで、前記圧電物質層１７０は少なくとも一層以上で形成される。すなわち、本発明に係る表面光レーザーが相対的に集束位置の小さな変位を必要とする光学システムに採用される場合、前記圧電物質層１７０は単層で備わる。
【００４０】
これに対し、本発明に係る表面光レーザーが相対的に集束位置の大きい変位を必要とする光学システムに採用される場合、前記圧電物質層１７０は複数層で形成され、複数層の間は電気的に並列に接続されたことが望ましい。圧電物質層１７０の変位量は圧電物質層１７０の厚さに比例するが、厚い圧電物質層１７０を変位させるためには大きい印加電圧が必要である。しかし、本発明のように圧電物質層１７０を電気的に並列接続された複数層で形成すれば、小さな印加電圧で駆動自在でありながら全体的に厚いため、大きい変位が得られる。
【００４１】
一方、圧電物質層１７０を光を透過させる圧電ポリマーで形成する場合、表面光レーザー部１００から出射される光の経路を開口させる必要がないために、前記一対の駆動電極１７１、１７５としてはＩＴＯのような透明電極を具備して、駆動電極１７１、１７５を前記圧電物質層１７０の下、上面の全体にわたって形成することが望ましい。
【００４２】
前記のように可変部のための一対の駆動電極１７１、１７５を具備する構造である場合、前記可変部の下部駆動電極１７１と表面光レーザー部１００の上部電極１５１との間には絶縁層１６０がさらに備わって、前記表面光レーザー部１００と可変部とを電気的に互いに独立させるようになったことが望ましい。
【００４３】
ここで、前記可変部と表面光レーザー部１００とは、共通電極を使用する構造で形成される場合もある。この場合、前記絶縁層１６０は不要である。
【００４４】
前記のように構成された本発明の一実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーで、表面光レーザー部１００、可変部及びマイクロレンズ１９０は各々別途に製造した後、ボンディングにより互いに一体に結合される。ここで、前記表面光レーザー部１００、可変部及びマイクロレンズ１９０は連続工程を通じて製造される場合もある。
【００４５】
前記のように構成された本発明の一実施例に係るマイクロレンズ１９０一体型表面光レーザーは次のように作動する。
【００４６】
まず、図２に示したように、電圧が印加されない状態での圧電物質層１７０の厚さをｄｏ、その時の光の集束位置をｆｏとする時、前記一対の駆動電極１７１、１７５に所定大きさの電圧Ｖをかければ、圧電物質層１７０の厚さはｄｏからｄに増加し、表面光レーザー部１００から出射されたレーザー光はマイクロレンズ１９０により集束されてその集束位置はｆｏからｆに変わる。
【００４７】
印加電圧Ｖを減少させて圧電物質層１７０の厚さが△ｄだけ縮まれば、表面光レーザー部１００から出射された光はｆより近いｆ‘の位置に集束される。
【００４８】
反対に、印加電圧Ｖを増加させて圧電物質層１７０の厚さが△ｄ‘だけ増えれば、表面光レーザー部１００から出射された光はｆより遠いｆ“の位置に集束される。
【００４９】
そして、電圧を印加しなければ、圧電物質層１７０の厚さは元の厚さｄｏになり、表面光レーザー部１００から出射された光はｆｏ位置に集束される。
【００５０】
図４は、本発明の他の実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーを概略的に示す図面である。ここで、図２と同じ参照符号は実質的に同一の機能をする同一部材を示す。
【００５１】
本実施例において、可変部は圧電セラミックよりなる圧電物質層２７０と、前記圧電物質層２７０の下、上面に形成された一対の駆動電極２７１、２７５とを含んでなる。
【００５２】
この時、圧電セラミックは光に対して不透明であるので、前記圧電物質層２７０はその中央部に表面光レーザー部１００から出射された光を通過させるための開口２７０ａを具備する。そして、一対の駆動電極２７１、２７５は前記圧電物質層２７０の下、上面の開口２７０ａを除外した領域に形成されたことが望ましい。
【００５３】
前記のように圧電セラミックよりなる圧電物質層２７０は相対的に速い反応が得られるという利点がある。
【００５４】
ここで、前記圧電物質層２７０は本発明の一実施例に係る圧電物質層１７０と同じく、少なくとも一層以上で形成される。すなわち、本発明の他の実施例に係る表面光レーザーが相対的に集束位置の小さな変位を必要とする光学システムに採用される場合、前記圧電物質層２７０は単層で形成される。反面に、本発明の他の実施例に係る表面光レーザーが相対的に集束位置の大きい変位を必要とする光学システムに採用される場合、前記圧電物質層２７０は複数層で形成され、複数層の間は電気的に並列接続されて、相対的に小さな電圧を印加して相対的に厚い複数層構造の圧電物質層２７０を駆動できるようになったことが望ましい。
【００５５】
本実施例の可変部と表面光レーザー部１００は本発明の一実施例で説明したように、共通電極を使用する構造で形成でき、この場合、本発明の他の実施例に係る表面光レーザーは絶縁層１６０がない構造を有する。
【００５６】
前記のように構成された本発明の他の実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーで、表面光レーザー部１００及び可変部は圧電セラミックの特性上、連続工程を通じて一体に形成される場合もある。
【００５７】
この時、前記マイクロレンズ１９０は連続的な製造工程を通じて前記表面光レーザー部１００及び可変部と一体に形成されたり、別途に製造された後、ボンディングにより前記可変部に一体に結合されたりする。
【００５８】
前記のように構成された本発明の他の実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーは、図２及び図３を参照して説明した本発明の一実施例と同じく、表面光レーザー部１００から出射され、マイクロレンズ１９０により集束される光の集束位置を可変させうる。
【００５９】
図２ないし図４を参照して以上で説明した本発明の実施例に係る表面光レーザーは、表面光レーザー部１００に可変部及びマイクロレンズ１９０が一体化して表面光レーザー部１００から出射される発散光を集束光に変えうるだけでなく、追加的な調整手段なしに集束された光の集束位置を調節できる。
【００６０】
したがって、光ファイバを用いた光通信システムに本発明に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーを採用すれば、表面光レーザーと光ファイバとの間に別のボールレンズ（図示せず）なしに充分の光カップリングが得られるだけでなく、一体化した可変部により表面光レーザー部１００に対するマイクロレンズ１９０の相対的な位置を調整しつつ、表面光レーザーから出射された光の光ケーブルへの光カップリング効率を極大化できて、光軸整列構造が簡単で部品数を大きく減少できる。
【００６１】
また、本発明に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーを自由空間を通じて光信号を送受信するようになった光信号を用いたインターフェースに採用する場合、別の集束レンズが不要であり、集束位置の調整が可能であるので、光送受信部間の距離配置の自由度が大きくて光学的な構造が簡単で整列が簡単なだけでなく、表面光レーザー及び／または光検出素子をコンパックにアレイに配置できる。
【００６２】
以上で、本発明に係る表面光レーザーは集束光が出射されるように備えられたものと説明及び示したが、これに限定されることなく、平行光が出射されるように備えられる場合もある。これは本発明に係るマイクロレンズ１９０が適正曲率を有することによって可能である。このように平行光を出射するようになった本発明に係る表面光レーザーはコリメーティングされた平行光を必要とする光ヘッドのような光学システムに採用でき、この場合、従来の表面光レーザーを使用する場合とは違ってコリメーティングレンズが要らない利点がある。
【００６３】
また、以上では本発明に係るマイクロレンズ１９０が拡散制御エッチングまたはスポット融解方式により形成された凸レンズ曲面を有するものと説明及び示したが、本発明はこれに限定されず、前記マイクロレンズ１９０は凹レンズ曲面を有する場合もある。
【００６４】
この時、マイクロレンズ１９０の凹レンズ曲面は、例えば、等方性エッチングなどを用いて形成される。ここで、等方性エッチングは半導体分野で公知のように、アモルファス物質よりなるフラット部材の所定部分だけを開口させた状態でエッチング工程を行なえば、その開口された部分が等方性にエッチングされる技術である。
【００６５】
前記のように本発明に係る表面光レーザーが凹レンズ曲面を有するマイクロレンズを具備すれば、表面光レーザー部１００から出射された発散光はさらに大きい角度で発散でき、可変部でマイクロレンズ１９０の位置を可変させれば、光の発散角を調節できる。したがって、凹レンズ曲面を有するマイクロレンズ１９０を具備する本発明に係る表面光レーザーは、光源から短距離内で相対的に大きいビームを必要とする光学システムに効率的に採用されうる。
【００６６】
一方、本発明に係る表面光レーザーによれば、光出力パワー及び／または温度変化によって表面光レーザーから出射される光の波長が変わる場合にも、可変部により表面光レーザー部１００とマイクロレンズ１９０との相対的な間隔を調整することにより、最適化した平行光、集束光または発散光を出射させうる。
【００６７】
【発明の効果】
前記のような本発明に係る表面光レーザーは、表面光レーザー部、可変部及びマイクロレンズよりなるので、光学システムの構成時に別の集束レンズ及び光の集束位置などを調整する手段が要らない。
【００６８】
したがって、本発明に係る表面光レーザーを採用して光学システムを構成すれば、光軸整列構造が簡単で配置の自由度が増加するだけでなく、部品数が大きく節減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の表面光レーザーを概略的に示す図面である。
【図２】本発明の一実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーを概略的に示す図面である。
【図３】図２に示したマイクロレンズ一体型表面光レーザーで可変部により光の集束位置が調節されることを示す図面である。
【図４】本発明の他の実施例に係るマイクロレンズ一体型表面光レーザーを概略的に示す図面である。
【符号の説明】
１００ 表面光レーザー部
１０１ 基板
１１０ 下部反射基層
１２０ 活性層
１３０ 高抵抗部
１４０ 上部反射基層
１５１ 上部電極
１５５ 下部電極
１６０ 上部電極
１７０ 圧電物質層
１７１、１７５ 駆動電極
１９０ マイクロレンズ
１９０ａ 凸レンズ曲面
Claims (8)
- 半導体物質層の積層方向にレーザー光を出射する表面光レーザー部と、
前記表面光レーザー部から出射される光を透過させる物質より形成されたマイクロレンズと、
前記表面光レーザー部とマイクロレンズとの間に位置し、前記マイクロレンズと前記表面光レーザー部との間隔を可変させる可変部とを含み、
前記可変部は圧電ポリマーよりなる圧電物質層を具備し、
前記表面光レーザー部及び前記可変部は連続的な製造工程を通じてそれらの間にボンディング層なしで一体に形成されていることを特徴とするマイクロレンズ一体型表面光レーザー。 - 半導体物質層の積層方向にレーザー光を出射する表面光レーザー部と、
前記表面光レーザー部から出射される光を透過させる物質より形成されたマイクロレンズと、
前記表面光レーザー部とマイクロレンズとの間に位置し、前記マイクロレンズと前記表面光レーザー部との間隔を可変させる可変部とを含み、
前記可変部は圧電セラミックよりなる圧電物質層を具備し、前記圧電物質層の中央部には表面光レーザー部から出射された光を通過させる開口が形成され、
前記表面光レーザー部及び前記可変部は連続的な製造工程を通じてそれらの間にボンディングなしで一体に形成されていることを特徴とするマイクロレンズ一体型表面光レーザー。 - 前記マイクロレンズはボンディングにより前記可変部に一体に結合されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロレンズ一体型表面光レーザー。
- 前記マイクロレンズは連続的な製造工程を通じて前記表面光レーザー部及び可変部と一体に形成されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロレンズ一体型表面光レーザー。
- 前記可変部の圧電物質層は少なくとも一層以上よりなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のうちいずれか一つに記載のマイクロレンズ一体型表面光レーザー。
- 半導体物質層の積層方向にレーザー光を出射する表面光レーザー部と、
前記表面光レーザー部から出射される光を透過させる物質より形成されたマイクロレンズと、
前記表面光レーザー部とマイクロレンズとの間に位置し、前記マイクロレンズと前記表面光レーザー部との間隔を可変させる可変部とを含み、
前記可変部は圧電ポリマーよりなる圧電物質層を具備し、
前記表面光レーザー部と可変部との間には、電気的に互いに独立するように絶縁層がさらに備わり、
前記表面光レーザー部、前記絶縁層及び前記可変部は連続的な製造工程を通じてそれらの間にボンディングなしで一体に形成されていることを特徴とするマイクロレンズ一体型表面光レーザー。 - 半導体物質層の積層方向にレーザー光を出射する表面光レーザー部と、
前記表面光レーザー部から出射される光を透過させる物質より形成されたマイクロレンズと、
前記表面光レーザー部とマイクロレンズとの間に位置し、前記マイクロレンズと前記表面光レーザー部との間隔を可変させる可変部とを含み、
前記可変部は圧電セラミックよりなる圧電物質層を具備し、前記圧電物質層の中央部には表面光レーザー部から出射された光を通過させる開口が形成され、
前記表面光レーザー部と可変部との間には、電気的に互いに独立するように絶縁層がさらに備わり、
前記表面光レーザー部、前記絶縁層及び前記可変部は連続的な製造工程を通じてそれらの間にボンディングなしで一体に形成されていることを特徴とするマイクロレンズ一体型表面光レーザー。 - 前記マイクロレンズは、前記表面光レーザー部から出射される光に対して透明なフラット部材に拡散制御エッチング、スポット融解または等方性エッチングにより形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のうちいずれか一つに記載のマイクロレンズ一体型表面光レーザー。
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