JP4200431B2 - 面発光レーザ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザに関し、特にレーザ光の波長を任意所望の波長に可変とすると共に、面発光レーザ素子の放熱特性を改善し、光共振器の動作を安定させることが可能な面発光レーザに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は光通信用光源や光計測用光源として用いられ、特にWDM(Wave Length Division Multiplexing:波長分割多重)等の波長多重通信に適用されている。
【0003】
従来の可変波長型の面発光レーザは例えば特表2002−511661号公報(特許文献1)に開示されている。
【0004】
【特許文献1】
特表2002−511661号公報
【0005】
図5は従来の可変波長型の面発光レーザの縦断面図である。
図5において、31はn型のInP基板、32はInP基板31の一方の面上に形成されたn型のInP/InGaAs及びn型のGaAs/AlAsの多層膜で構成される分布反射層(Distributed Bragg Reflector、以下DBR層と記す)、33はDBR層32上に形成されたMQW(Multi Quantum Well:多重量子井戸)等を用いた活性層である。
【0006】
そして、34は活性層33上に形成された絶縁膜、35は絶縁膜34上に片持ち梁状に形成されたn型のInP/InGaAs及びn型のGaAs/AlAsの多層膜で構成されるDBR層、gはDBR層35と活性層33との間に形成されたエアギャップ、36は活性層33上に形成された上部電極、37はInP基板31の他方の面に形成された下部電極、38はDBR層35上に形成された駆動電極、39は下部電極37に接合された金属マウントである。
【0007】
次に、図5に示した可変波長型の面発光レーザの動作について説明する。
上部電極36と下部電極37との間に電圧が印加されると、上部電極36から、活性層33、DBR層32及びInP基板31を通り下部電極37まで電流(正孔)が流れる。また、逆に下部電極37から上部電極36に向かって電子が流れる。
【0008】
そして、バンドギャップの最も狭い活性層33において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、DBR層32とDBR層35との間に形成される光共振器によって光増幅され、DBR層35側から出射される。
【0009】
この場合、出射されるレーザ光の波長は、DBR層35と活性層33との間に形成されるエアギャップgの大きさに対応するので、このエアギャップgの大きさを変化させることによりレーザ光の波長を変化させることができる。
【0010】
次に、レーザ光の波長を変化させる動作について説明する。
DBR層35上に形成された駆動電極38と上部電極36との間に駆動電圧を印加すると、両者の間に静電気力が働き、片持ち梁状のDBR層35は活性層33側に変位し、エアギャップgの大きさは小さくなる。
従って、駆動電圧を制御してエアギャップgの大きさを制御することにより、任意所望のレーザ光の波長を得ることができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような可変波長型の面発光レーザにおいては、次のような問題点があった。
InP基板31上の多層反射膜(DBR層32)の製膜においては、InPと格子整合したInGaAs/InAlAsなどの材料の単結晶エピタキシャル層を積層する必要がある。
そして、これらの材料の組合わせでは屈折率を大きくとることができないため、大きな反射率を得るためにはその層数を多くする必要があり、結果として多層反射膜(DBR層32)における熱伝導率が低くなる。
【0012】
面発光レーザは、レーザ光を発生させる活性層33で発熱するが、上述の面発光レーザにおいては、熱伝導率の低いDBR層32を介して活性層33から遠いInP基板31及びヒートシンクとして機能する金属マウント39側から発熱した熱を放熱するため、放熱の効率が低い。
従って、放熱の効率が低いため素子に大電流を流すことはできず、レーザ光の出力を大きく取ることが困難である。
【0013】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、熱伝導効率を高くし、大きな電流を流すことにより大出力を得ることを可能にした波長可変型の面発光レーザを提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1においては、成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、第一基板の一方の面上に前記成長層及び金属の第一発光用電極が順次形成され、前記第一基板の他方の面から前記レーザ光を出射する面発光レーザ素子と、一方の面に導電性を有する導電層が形成され、この導電層の中央部に駆動用ギャップを介して形成された可動梁と、この可動梁上に形成された可動鏡と、前記導電層上に中央部が円形に除去されて形成された金属の第一駆動用電極を有する第二基板とを具備し、前記第一基板の一方の面と前記可動鏡が共振用ギャップを形成した状態で対向配置されるように前記面発光レーザ素子の前記第一発光用電極と前記第二基板の前記第一駆動用電極を半田で接合したことを特徴とする面発光レーザである。
【0015】
本発明の請求項2においては、請求項1記載の面発光レーザにおいて、前記可動梁は、両端固定梁状または片持ち梁状に形成されることを特徴とする面発光レーザである。
【0016】
本発明の請求項3においては、請求項1記載の面発光レーザにおいて、前記可動鏡は、誘電体多層膜で構成され、前記誘電体多層膜と前記可動梁との接続部には金属膜が設けられていることを特徴とする面発光レーザである。
【0017】
本発明の請求項4においては、請求項1記載の面発光レーザにおいて、前記第一基板の他方の面上に、発光領域に対向する円形部分を除いて形成される第二発光用電極と、前記第二発光用電極をマスクとして、前記第一基板の他方の面をエッチングして前記成長層に達する溝部とを設けたことを特徴とする面発光レーザである。
【0018】
本発明の請求項5においては、請求項1記載の面発光レーザにおいて、前記可動鏡は凹面状に形成されていることを特徴とする面発光レーザである。
【0019】
本発明の請求項6においては、請求項1記載の面発光レーザにおいて、前記面発光レーザ素子は、前記第一基板の一方の面上に形成された分布反射層と、前記分布反射層上あるいはクラッド層を介して前記分布反射層上に形成される活性層と、前記活性層上あるいはクラッド層を介して前記活性層上に形成され開口部を有する金属の前記第一発光用電極と、前記第一基板の他方の面上に形成され光取出口を有する第二発光用電極、とを具備し、前記第二基板の一方の面上には駆動用ギャップ形成層及び前記導電層が順次形成され、前記駆動用ギャップ形成層が選択的にエッチングされて前記駆動用ギャップが形成されることにより前記導電層が前記可動梁として形成され、前記可動梁上には前記可動鏡及び金属の前記第一駆動用電極が形成されると共に、前記第二基板の他方の面上には第二駆動用電極が形成され、前記可動鏡が前記開口部に前記共振用ギャップを形成した状態で対向配置されるように前記第一発光用電極と前記第一駆動用電極とが半田で接合され、前記面発光レーザ素子は、前記第一発光用電極と前記第二発光用電極との間に通電することにより前記光取出口から前記レーザ光を出射し、前記第一駆動用電極と前記第二駆動用電極との間に駆動電圧を印加することにより前記可動梁を前記駆動用ギャップの方向に駆動して前記共振用ギャップの大きさを変化させ、前記面発光レーザ素子から出射した前記レーザ光の波長を可変としたことを特徴とする面発光レーザである。
【0020】
本発明の請求項7においては、請求項6記載の面発光レーザにおいて、前記第一基板の他方の面上に、発光領域に対向する円形部分を除いて形成される前記第二発光用電極と、前記第二発光用電極をマスクとして、前記第一基板の他方の面をエッチングして前記分布反射層に達する溝部とを設けたことを特徴とする面発光レーザである。
【0021】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
図1は、本発明による波長可変型の面発光レーザの構成を示す断面図である。
【0022】
図1において、1は面発光レーザ素子であり、2は第一基板としてのn型のInP基板、3はInP基板2の一方の面上に形成された例えばn型のInGaAs/InAlAsの多層膜からなる分布反射層(Distributed Bragg Reflector、以下DBR層と記す)、4はDBR層3上に形成されたMQW(Multi Quantum Well:多重量子井戸)等を用いた活性層である。
【0023】
そして、5はp型の不純物として例えばZnが活性層4及びDBR層3に渡って拡散されているZn拡散領域である。
6は例えばZn拡散領域5に円形に取り囲まれたZnが拡散されていない発光領域、7は活性層4上に形成された第一発光用電極である。
【0024】
そして、8は第一発光用電極7を形成する膜の発光領域6に対向する部分が例えばエッチング等により取り除かれて例えば円形に形成された開口部、9はInP基板2の他方の面上に形成される第二発光用電極である。
【0025】
そして、10aは第二発光用電極9を形成する膜の発光領域6に対向する部分がエッチング等により取り除かれて例えば円形に形成された光取出口である。
10bは第二発光用電極9をマスクとしてInP基板2をDBR層3に達するようにエッチングすることにより形成された溝部である。
【0026】
尚、DBR層3上に例えばn型のInP層からなるクラッド層(図示しない)を形成し、このクラッド層を介して活性層4を形成しても良く、また、活性層4上に例えば不純物がドーピングされていないu−InPからなるクラッド層(図示しない)を形成し、このクラッド層を介して第一発光用電極7を形成しても良い。
【0027】
この場合、DBR層3、活性層4、クラッド層は、InP基板2上に、例えば有機金属気相成長(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法により成長層として順次積層される。
【0028】
そして、11は第二基板としてのn型のSi基板、12はp型のSiからなる駆動用ギャップ形成層、13は高濃度のp型不純物がドープされて導電性を有するp++型のSiからなる導電層である。
【0029】
そして、14は駆動用ギャップ形成層12を異方性エッチング、濃度差エッチング、犠牲層エッチング等により加工して形成された駆動用ギャップであり、この駆動用ギャップ14を形成することにより、導電層13に可動梁13aが形成される。
【0030】
そして、15は駆動用ギャップに対向する可動梁13a上に形成された例えばTiO2/SiO2等の誘電体多層膜からなる可動鏡、15aは可動梁13aとの接続部に設けられた金属膜である。
【0031】
そして、16は導電層13上に中央部が例えば円形に除去されて形成された第一駆動用電極であり、17はSi基板11の他方の面に形成された第二駆動用電極である。
【0032】
そして、第一発光用電極7と第一駆動用電極16とを例えば半田18により接合することにより、可動鏡15が、面発光レーザ素子1の開口部8に共振用ギャップgを形成した状態で対向配置されるように、面発光レーザ素子1とSi基板11とが接合されている。
【0033】
また、可動梁13aは、図1に示したような両端固定梁に限らず、片持ち梁状または中空膜状となるように導電層13を加工して形成しても良い。
【0034】
次に、図1に示した面発光レーザの動作について説明する。
【0035】
第一発光用電極7と第一駆動用電極16は半田18により接合されているので、第一駆動用電極16と第二発光用電極9との間に電圧を印加すると、第一発光用電極7から活性層4、DBR層3及びInP基板2を通り第二発光用電極9まで電流(正孔)が流れる。また、逆に第二発光用電極9から第一発光用電極7に向かって電子が流れる。
【0036】
尚、この場合、Zn拡散領域5に流れ込んだ電流は、横方向から発光領域6に流れ込み、DBR層3及びInP基板2を通り第二発光用電極9に流れる。
【0037】
そして、バンドギャップの最も狭い発光領域6において正孔と電子の結合が生じて光が発光領域6より発光され、DBR層3と可動鏡15との間に形成される光共振器によって光増幅され、光取出口10aより出射される。
【0038】
この場合、出射されるレーザ光の波長は、可動鏡15と面発光レーザ素子1の開口部8との間に形成される共振用ギャップgの大きさに対応するので、このギャップgの大きさを変化させることによりレーザ光の波長を変化させることができる。
【0039】
次に、レーザ光の波長を変化させる動作について説明する。
第一駆動用電極16と第二駆動用電極17との間に駆動電圧を印加すると、可動梁13aとSi基板11との間に静電気力が働き、可動梁13aは駆動用ギャップ14を小さくする方向に変位し、共振用ギャップgの大きさは大きくなる。従って、駆動電圧を制御して共振用ギャップgの大きさを制御することにより、任意所望のレーザ光の波長を得ることができる。
【0040】
上述のような面発光レーザにおいては、活性層4で発生した熱は、熱源(活性層4)から近く熱伝導率の高い金属の第一発光用電極7、半田18、第一駆動用電極16を介して、ヒートシンクとしてのSi基板11へ放熱されるので、熱源から遠く、熱伝導率の低いDBR層3を介して放熱を行っていた従来の場合と比較してその放熱効率を高くすることができる。
【0041】
従って、放熱効率が高いので大電流を面発光レーザに供給することができ、結果として、大出力のレーザ光を得ることが可能となる。
【0042】
また、可動梁13aをSi基板11側(駆動用ギャップ14側)に駆動した場合、可動鏡15の表面は凹面となるため、光共振器の回折損失を低減することができる。
【0043】
ところで、図2に示すようにInP基板2にDBR層3に達する溝部が形成されていない場合、InP基板1の光取り出し口10aを構成する面からの反射光が共振器内に戻ってくる。
【0044】
また、可動鏡15の可動梁13aとの接続部に金属膜が設けられていない場合、可動鏡15を透過した光が駆動用ギャップ14を構成する2つの面(Si基板11の表面と可動梁13aの下面)及びSi基板11の裏面からの反射光が共振器内に戻ってくる。
【0045】
これらの場合、正常な多重反射に対して光路長の異なる共振系が発生し、光共振器が不安定になる。
【0046】
しかし、図1に示した面発光レーザにおいては、InP基板2にDBR層3に達する溝部10bが形成され、可動鏡15の可動梁13aとの接続部に金属膜15aが透過防止膜として設けられているため、不正常な反射光の発生を防止することができ、結果として光共振器の動作を安定化させることができる。
【0047】
次に、本発明による他の実施例について説明する。
尚、以下の図面において、図1と重複する部分は同一番号を付してその説明は適宜に省略する。
【0048】
図3はSOI基板を使用した場合の構成図である。
20はSOI基板であり、Si基板21上にSiO2膜24を介してp型Si単結晶からなる駆動用ギャップ形成層22及びp++型Si単結晶からなる導電層23から構成されている。
【0049】
この場合、導電層23は、SOI基板の活性層に高濃度のp型不純物をドーピングすることにより形成され、活性層の不純物濃度が低い部分が駆動用ギャップ形成層22、濃度が高い部分が導電層23として形成される。
【0050】
そして、25はSiO2膜24をエッチングストップ層として駆動用ギャップ形成層22を異方性エッチング、濃度差エッチング等によりエッチングすることにより形成される駆動用ギャップであり、この駆動用ギャップ24を形成することにより、導電層23に可動梁23aが形成される。
【0051】
図4は、図3に示した面発光レーザの可動鏡を凹面とした場合の構成図である。
図4において、可動梁23aを凹面上に加工し、その上部に誘電体多層膜からなる可動鏡15を凹面上に形成したものである。
【0052】
この場合、可動鏡15は予め凹面状に形成されているので、光共振器の回折損失を低減することができる。
【0053】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、面発光レーザ素子と波長可変用の可動鏡が形成されるSi基板とを半田により接合し、Si基板に可動鏡の駆動用配線を形成すると共に、Si基板を面発光レーザ素子のヒートシンクと機能するように構成したので、面発光レーザ素子の放熱効率を向上させることができ、大きな電流を流すことにより大出力を得ることを可能にした波長可変型の面発光レーザを提供することができる。
【0054】
また、本発明によれば、可動鏡をSi基板側へ駆動するようにしたので、可動鏡表面は凹面となり、光共振器の回折損失の低下を防止することができる。
【0055】
また、本発明によれば、InP基板にDBR層に達する溝部を形成し、可動鏡の可動梁との接続部に透過防止膜としての金属膜を設けたので、不正常な反射光の発生を防止することができ、結果として光共振器の動作を安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による波長可変型の面発光レーザの構成を示す断面図である。
【図2】本発明による波長可変型の面発光レーザの動作を説明するための図である。
【図3】本発明による他の実施例の構成を示す断面図である。
【図4】本発明による他の実施例の構成を示す断面図である。
【図5】従来の波長可変型の面発光レーザの構成を示す図である。
【符号の説明】
1 面発光レーザ素子
2 InP基板
3 DBR層
4 活性層
6 発光領域
7 第一発光用電極
8 開口部
9 第二発光用電極
10a 光取出口
10b 溝部
11 Si基板
12 駆動用ギャップ形成層
13 導電層
13a 可動梁
14 駆動用ギャップ
15 可動鏡
15a 金属膜
16 第一駆動用電極
17 第二駆動用電極
18 半田
g 共振用ギャップ
Claims (7)
- 成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、
第一基板の一方の面上に前記成長層及び金属の第一発光用電極が順次形成され、前記第一基板の他方の面から前記レーザ光を出射する面発光レーザ素子と、
一方の面に導電性を有する導電層が形成され、この導電層の中央部に駆動用ギャップを介して形成された可動梁と、この可動梁上に形成された可動鏡と、前記導電層上に中央部が円形に除去されて形成された金属の第一駆動用電極を有する第二基板とを具備し、
前記第一基板の一方の面と前記可動鏡が共振用ギャップを形成した状態で対向配置されるように前記面発光レーザ素子の前記第一発光用電極と前記第二基板の前記第一駆動用電極を半田で接合したことを特徴とする面発光レーザ。 - 請求項1記載の面発光レーザにおいて、
前記可動梁は、両端固定梁状または片持ち梁状に形成されることを特徴とする面発光レーザ。 - 請求項1記載の面発光レーザにおいて、
前記可動鏡は、誘電体多層膜で構成され、
前記誘電体多層膜と前記可動梁との接続部には金属膜が設けられていることを特徴とする面発光レーザ。 - 請求項1記載の面発光レーザにおいて、
前記第一基板の他方の面上に、発光領域に対向する円形部分を除いて形成される第二発光用電極と、
前記第二発光用電極をマスクとして、前記第一基板の他方の面をエッチングして前記成長層に達する溝部と
を設けたことを特徴とする面発光レーザ。 - 請求項1記載の面発光レーザにおいて、
前記可動鏡は凹面状に形成されていることを特徴とする面発光レーザ。 - 請求項1記載の面発光レーザにおいて、
前記面発光レーザ素子は、
前記第一基板の一方の面上に形成された分布反射層と、前記分布反射層上あるいはクラッド層を介して前記分布反射層上に形成される活性層と、前記活性層上あるいはクラッド層を介して前記活性層上に形成され開口部を有する金属の前記第一発光用電極と、前記第一基板の他方の面上に形成され光取出口を有する第二発光用電極、とを具備し、
前記第二基板の一方の面上には駆動用ギャップ形成層及び前記導電層が順次形成され、前記駆動用ギャップ形成層が選択的にエッチングされて前記駆動用ギャップが形成されることにより前記導電層が前記可動梁として形成され、
前記可動梁上には前記可動鏡及び金属の前記第一駆動用電極が形成されると共に、前記第二基板の他方の面上には第二駆動用電極が形成され、
前記可動鏡が前記開口部に前記共振用ギャップを形成した状態で対向配置されるように前記第一発光用電極と前記第一駆動用電極とが半田で接合され、
前記面発光レーザ素子は、前記第一発光用電極と前記第二発光用電極との間に通電することにより前記光取出口から前記レーザ光を出射し、
前記第一駆動用電極と前記第二駆動用電極との間に駆動電圧を印加することにより前記可動梁を前記駆動用ギャップの方向に駆動して前記共振用ギャップの大きさを変化させ、前記面発光レーザ素子から出射した前記レーザ光の波長を可変としたことを特徴とする面発光レーザ。 - 請求項6記載の面発光レーザにおいて、
前記第一基板の他方の面上に、発光領域に対向する円形部分を除いて形成される前記第二発光用電極と、
前記第二発光用電極をマスクとして、前記第一基板の他方の面をエッチングして前記分布反射層に達する溝部と
を設けたことを特徴とする面発光レーザ。
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