JP4916647B2 - 外部共振器半導体レーザーおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本出願は、２００３年５月２３日に出願された米国仮出願第６０／４７２，９１４号；２００３年５月２３日に出願された米国仮出願第６０／４７２，８７３号；および、２００３年５月２３日に出願された米国仮出願第６０／４７２，６９２号の利益を主張するものであり、それらの出願の内容全体が、参照により本明細書に組み入れられる。

本発明は、概して、外部光共振器に光学的に結合されたレーザーに関し、詳細には、その結合されたレーザーと外部光共振器に特徴的な一組の不連続な発光波長からある特定の発光波長を選定することにより波長をチューニングすることができるレーザーダイオードに関する。より詳細には、本発明は、例えば波長分割多重方式（ＷＤＭ）の光ファイバー通信システムに有用な、所望のレーザー発光モードを選択するための外部共振器レーザーシステムにおいて使用されるマイクロ機械加工ファブリー・ペロエタロンに関する。

遠隔通信において広範に使用されているものなどの光ファイバー通信システムは、以下の３つの基本的なコンポーネントから構成されている：すなわち送信機／光源、光ファイバーリンクまたは光ファイバーチャンネル、および検波器／受信機である。そのようなシステムは、光源としてレーザー（発光ダイオード（ＬＥＤ）との対比において）を使用すれば、データ伝送の容量、速度、および距離に関わるそれらの利点の殆どが達成され；特に、送信機の光源として半導体レーザーダイオードを使用した場合には、コスト、コンパクト性、信頼性、および電力消費量に関わる更なる利点が得られる。

レーザーは、名目上は単色光源であるが、実際には、レーザーは、一般的に、それらのモードのうちの１つを除くすべてを抑制するステップを実行しない限り、幾つかの発光波長における光（モードと呼ばれている）を生成し、そして、前述の抑制ステップが実行される場合、そのレーザーは、単一モードレーザーと呼ばれている。そのような単一モードレーザーは、分散損失が低減され、これにより高速なデータ伝送速度並びにより長い伝送距離を可能にするため、光ファイバーシステムに優れた性能を提供する。

光ファイバーリンクの伝送容量並びに機能性は、波長分割多重方式（ＷＤＭ）の技術によりかなり高めることができる。一般的に、多重化という用語は、同じ回路またはチャンネルで幾つかの信号もしくはメッセージを同時に伝送することを表している。例えば、同軸ケーブルシステムにおいて周波数分割多重化は、幾つかの独立した搬送信号を提供することにより実現されており、ここでそれぞれの搬送信号には別個の周波数が割り当てられていて、且つ、それぞれの搬送信号は独立的なメッセージ信号で変調される。同軸ケーブルの受信側端部では、選択されたバンドパスフィルターが幾つかの搬送周波数を分離し、各搬送波を復調して元々のメッセージ信号を生成することができる。別の例として、ディジタルデータ伝送システムでは、幾つかのソースからのビットストリームをインターリーブして複合高率ビットストリームを形成することにより、時分割多重化が果たされている。その受信側端部では、時間フレーム並びに同期化を適切に考慮することにより、それらのビットストリームを分離することができる。

波長分割多重方式（ＷＤＭ）と呼ばれるアナログ方式の多重化技術が、光ファイバー通信システムで使用されている。ＷＤＭは、異なる搬送波長に割り当てられる複数の光信号の同時伝送に基づいている。別々で充分に隔てられた発光波長を有する幾つかのレーザーが、幾つかのメッセージ信号によって独立的に変調される。ＷＤＭシステムにおけるそれらの割り当てられた搬送波長は「チャンネル」と呼ばれている。それらの変調レーザー出力は、すべて、１つの共通な光ファイバー内へ送り出され、そして、波長感知フィルターにより、そのリンクの受信側端部で分波される。このように搬送波長にしたがって分離された信号は、特定のチャンネルに割り当てられた波長に固有の検波器に結合される。ＷＤＭを使用する光ファイバーシステムは、今や、遠隔通信インフラストラクチャーの確固たる不動の部分である。

波長分割多重化システムは、それぞれが別個の発光波長を作動する少なくとも数個の（時には５０個から１００個もの多くの）レーザー送信機を必要とする。発光波長は、大部分、通常のレーザーの固有の特性であるため、ＷＤＭシステムは、一見、特有の発光波長を有する数種類もしくはそれ以上の異なるタイプのレーザーダイオードが必要になる。見方を変えれば、ＷＤＭシステムの好適な実行は、一つのタイプのレーザーのみを使用することであり、但し、予め規定された幾つかの利用可能な発光波長のうちのいずれかにユーザーが容易に調節および設定することができる一つのタイプのレーザーを使用することである。そのようなレーザーは「チューニング可能」レーザーと呼ばれており、チューニング可能レーザーでは、特定の用途並びにシステム要件に応じた発光波長をその場で調節することができる。多チャンネルのＷＤＭ光ファイバーシステムでは、それぞれのチャンネルの送信機は、同じタイプのレーザーを使用するが、但し、その単一の発光波長は、特定のチャンネルに割り当てられた波長にチューニングされている。固有の発光波長を有する多くの異なる種類の単一モードレーザーを使用するのではなく、１種類のチューニング可能レーザーのみを用いるこの手法は、提供時の問題として一般に知られている課題の解決に取り組むものであり、ＷＤＭシステムの目録作成、配置、組み立て、およびメンテナンスをかなり単純化する。例えば、多くの異なるタイプのレーザーをストックし、据え付け、そしてそれらを維持するのではなく、すべての送信機の光源として一つの包括的なチューニング可能レーザーが使用され、そして、そのＷＤＭシステムに挿入される場所に従って、その発光波長が選択される。このチューニング可能レーザーダイオードの使用は、新たな発光波長を選択することにより、送信機を新たなチャンネルに容易に割り当てし直すことができるため、ＷＤＭシステムの再構成も容易となる。従って、ＷＤＭ光通信システムに有用な、コンパクトな外部共振器レーザーのモード切り替えを実現する装置、および特に単純化された構造の装置を提供することは、レーザーテクノロジーの分野における重大な進展をもたらすであろう。

本発明は、外部共振器半導体レーザーも提供し、その外部共振器半導体レーザーは：光放射線のソースを提供するためのレーザー利得媒体；前述の利得媒体と光学的に連通した状態で配置された外部光共振器であって、その共振器は、単一波長選択装置が単一の縦レーザー発振モードを選択し且つ維持できるようにするのに充分な短い寸法に為されている、外部光共振器；および、単一の縦レーザー発振モードを選択し且つ維持すべく、前述の外部光共振器内に配置された単一波長選択装置；を含む。一つの望ましい構成では、上述の波長選択装置は、マイクロ製造エタロンを含む。例えば、本発明は、マイクロ製造エタロンを提供し、そのエタロンは：第一および第二の対向する表面を有する結晶性基体；前述の基体の第一表面上に配置されたスペーサー層であって、そのスペーサー層が外側表面を有している、スペーサー層；前述の第一表面から第二表面までその基体を通って延びる穴であって、その穴が前述のスペーサー層の露出されている部分に隣接した底部を有している、穴；および、前述のスペーサー層の外側表面に配置された第一干渉フィルター、並びに、前述のスペーサー層の露出されている部分に配置された第二干渉フィルターであって、それらの干渉フィルター間にエタロンがもたらされる、第一および第二の干渉フィルター；を含む。

本発明は、マイクロ製造エタロンを製造するための方法も提供し、その方法は：対向する第一および第二の表面を有する結晶性基体を提供するステップ；前述の基体の第一表面上にスペーサー層を提供するステップであって、そのスペーサー層が外側表面を有している、スペーサー層の提供ステップ；前述の第一表面から第二表面まで基体を通って延びる穴を形成するステップであって、その穴が前述のスペーサー層の露出されている部分に隣接した底部を有している、穴の形成ステップ；および、前述のスペーサー層の外側表面に第一の干渉フィルターを提供し、且つ、前述のスペーサー層の露出されている部分に第二の干渉フィルターを提供してそれらの干渉フィルター間にエタロンを提供するステップ；を含む。

本発明は、外部共振器単一モードレーザー１００の設計に関するものであり、その設計においては、この光共振器１０３の短い光路長（約３ｍｍから２５ｍｍまで）が複数の縦モードの充分な間隔あけを提供し、これにより、マイクロ製造エタロン１２０などの単一の波長選択エレメントによって、単一の運転モード、場合によっては、選択可能な運転モードを提供することが可能になる。このレーザー光共振器１０３の全路長は、レーザー共振器１０３の２つの反射鏡１０８、１１０間の路長であり、典型的には、一方の反射鏡１１０は、レーザー発振エレメント１０２の外部ファセット上に被膜を含んでおり、そして、もう一方の反射鏡１０８は外部ミラーである。上述のマイクロ製造エタロン１２０は、透明な平板もしくはエアーギャップ１２４により隔てられた薄膜多層誘電体積層膜２０２、２０４などの一対の反射性表面を含む波長対応装置であり、特定の波長の光を選択的に透過もしくは反射させるために使用することができる。従って、エタロン１２０は、光共振器１０３内のレーザー発振モードを選択的に抑制もしくは維持するために使用される。

外部共振器レーザー１００は、マイクロ製造エタロン１２０が、レーザー光共振器１０３の全路長により定まる数個もしくはそれ以上の離散波長発光モード間でレーザー出力を切り替えることができるように、エタロン１２０と協同すべく構成されている。エタロン１２０はチューニングすることができ、即ち、光がエタロンに入射する角度を変えることにより、例えばエタロン１２０を傾けることにより、エタロンの波長依存的透過特性を変化させることができる。代替的に、そのエタロンに、多層誘電体積層膜２０２、２０４間のエタロンのギャップ幅を変えることによりチューニングすることができる可変性のエアーギャップ間隔を有するよう設計しても良い。例えば、エタロン１２０に形成された電極にエアーギャップ間隔を変えるための電圧制御信号を加えることにより、エタロン１２０をチューニングすることができる。マイクロ機械加工エタロン１２０のサイズが小さいことは、外部光共振器の長さを比較的低減することを可能にし、これによって一層広く間隔をあけた複数のレーザーモードをもたらし、これにより、シンプルな設計の一つのエタロンによってモード選択を一層容易に果たすことが可能になる。それらのモードは一層広く間隔をあけられているので、エタロン１２０に求められるフィルタリング要件が低減されるため（通過帯域幅を狭める必要がないため）、レーザーモードの選択のために、本明細書に開示されているマイクロ機械加工エタロンの使用が更に容易となる。

本発明は、更に、波長選択エレメントを使用してレーザー共振器１０３の複数の縦モード間で慎重にモードホッピングさせる能力に関し、従って対照波長もしくは「ホーム」波長からのレーザー発振状態および非レーザー発振状態間のホッピング数を計数するという簡単なメカニズムによって作動波長の変化を決定することが可能となる。

次に、添付図面を参照すると、それらの添付図面では、全体を通じ、同様のエレメントには同様な番号が付されており、特に、図１ａ〜１ｃには、本発明の３つの例証的な構成が示されている。共通の光軸Ａ−Ａ’に沿って分散して配置された光コンポーネントおよび光電子コンポーネントを含む外部光共振器レーザー１００が提供される。光源はレーザー発振エレメント１０２を含んでおり、そのレーザー発振エレメントは、光利得を呈示し、且つ、それ自体が、光学的に制限された導波路または共振器の複数のモードにおける誘導放射発光に対して伝導性である、一つの光利得材料／光利得媒体もしくは複数の光学材料の組み合わせを含むことができる。例えば、レーザー発振エレメント１０２は、ＷＤＭ光ファイバーシステムと共に使用するための電気バイアス式端面発光型半導体ダイオードレーザーであってよい。垂直共振器表面発光型レーザー（ＶＣＳＥＬｓ）を含め、表面発光型レーザーなどの他のタイプのレーザーも使用することができる。適切なレーザー媒体は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、およびＩｎＡｓの合金を含め、様々な化合物半導体を含むことができる。レーザー発振エレメント１０２は、光軸Ａ−Ａ’に沿って縦方向に配向された外部光共振器１０５に光学的に結合されている。レーザー発振エレメント１０２の長さプラス外部共振器１０５の長さの組み合わせが全光共振器の長さ１０３を定めている。複数の縦モードの間隔あけを決定する光路長は、各物理的エレメントのＡ−Ａ’に沿った物理的な路長と対象波長における各物理的エレメントの実効屈折率との積の総和によって決まる。この計算には複数のエレメント間のギャップも含められ、そこでは、その屈折率は、空気に対して〜１．０であり得、もしくは、光学的なカプセル化材料がその空隙を占有している場合には、それ以外の数値であり得る。レーザー発振エレメント１０２は、共に光軸Ａ−Ａ’に垂直な第一端部表面１０４と第二端部表面１０６とにより閉ざされている。レーザー発振エレメント１０２を単結晶試料で形成する場合には、それらの端部表面１０４および１０６は、その結晶を劈開し、エッジファセットと呼ばれる平坦で平行な表面を露出させることにより形成することができる。

光共振器１０３は、軸Ａ−Ａ’に沿って位置付けられた２つの反射鏡１１０、１０８により形成され、その内部にレーザー発振エレメント１０２が配置されている。光共振器１０３は、レーザー発振エレメント１０２の内部の共振器部分とレーザー発振エレメント１０２の外側の共振器部分１０５とを含んでいる。遠位側の反射鏡１０８は、この共振器の一方の端部を定めるべく、レーザー発振エレメント１０２の外部に設けられた分離したミラーであってよい。反射鏡１０８の平面は、望ましくは、光軸Ａ−Ａ’に垂直になるように配向される。反射鏡１０８により定められた端部とは反対側の光共振器の他端は、ある反射鏡により定められており、その反射鏡は、レーザー発振エレメント１０２の第一表面１０４に形成された反射性被膜１１０として提供されることができる。レーザー発振エレメントの第二表面１０６（これもエッジファセットであってよい）は、反射防止膜１１２で被覆され第二表面１０６での反射を防ぐことができ、よってレーザー発振エレメント１０２の第一端部表面１０４と第二端部表面１０６との間に共振性キャビティーを生じないようにする。

運転に際しては、レーザー媒体がｐ−ｎ接合への少数キャリヤーの注入により電気的にポンピングされ、もしくは、光の吸収により光学的にポンピングされ、そして、どちらの場合にも、電荷キャリヤーの非平衡分布がもたらされる。この状態になると、レーザー材料は光利得を呈示することができ、これにより、特定のスペクトル利得帯域幅範囲における光子の吸収が、光子の誘導放出をもたらす。レーザー発振は、上述の非平衡条件に関わっている過剰な電荷キャリヤーがその後に再結合して光子を放出し、そのうちの幾つかの光子が反射鏡１０８と反射性被膜１１０とにより光共振器１０３内に閉じ込められることによるものである。そのような発光の一部は、光共振器１０３による強め合う干渉効果が充分なフィードバックをもたらし、これにより、レーザー発振モードを維持することができるような特定の波長並びに伝搬方向（集合的にモードと呼ばれている）を有している。実際には、反射性被膜１１０は完全には反射性でなく、従って、誘導放出により生成された光子の一部は、端部表面１０４並びに被膜１１０を通じて光共振器１０３から外へ透過される。この光がレーザー出力ビーム１１４を構成する。外部共振器レーザーとして他の既知の構造も使用することができ、例えば、半導体レーザー発振エレメント１０２の両側の表面をＡＲコーティングし、２つの外部ミラーを使用してもよく、また、代替的に、ファセットミラーが殆どの光を反射し、外部ミラー１０８を、その系から結合解除するための小反射鏡と共に使用することもできる。

光共振器１０３は、一般的に、多数のモードを支持することができ、そして、そのレーザーは有限の利得帯域幅を有しているため、レーザー１００は、幾つかの波長で光を放射する。許容される多モードのレーザー発光波長は、共振器１０３の実効光路長により決定される：光共振器の長さが短くなるに連れ、レーザー１００は、一層少ない数の、一層広く間隔をあけた発光波長モードを呈示する。それらの光共振器のモードは、一方の端部におけるファセット被膜１１０と他端における外部共振器のミラー１０８からなる２つの反射鏡１０８、１１０間の全光共振器の長さ１０３のモードである。従って、それらの光共振器のモードは、レーザー発振エレメント１０２の光路長と、外部共振器１０５の光路長のあわせたものを含む。ＷＤＭ用途について、そのレーザー発光を一つの単一モードに低減できることが有用であり、更に、特定の単一発光モードを選択する能力を有していることが有用である。

外部光共振器１０５は、半導体レーザー発振エレメント１０２からの光を充分にコリメートし、もしくは集束させるため、レンズ１１６などの他の光コンポーネントを含んでいてよく、これにより、その光を充分に低い損失でエタロン１２０を通じて伝搬させ、反射鏡１０８から反射させ、そして、レーザー発振エレメント１０２へ戻すことが可能になり、レーザー作用を可能にする実効レーザー利得を達成することができる。反射鏡１０８として湾曲ミラーを用いる方法や、レンズと湾曲ミラーの組み合わせを用いる方法など、他の構造でもこれを達成することができる。付加的な随意的コンポーネントとしては、フィルター、回折格子、プリズムなどが挙げられる。例えばレーザー出力をコリメートするコリメーティングレンズ１１８などのさらに他の光コンポーネントを、光共振器１０３の外側に配置してもよい。

例えば、図１ａは、本発明に従って、光軸Ａ−Ａ’に沿った外部光共振器内に配置された状態の、マイクロ機械加工エタロン１２０を示している。マイクロ機械加工エタロン１２０を使用して、可能なレーザーモードのサブセットを排除することができる。基本的に、マイクロ機械加工エタロン１２０は、エタロン１２０が透過性でない波長で特徴付けられる光共振器のモードの共振状態を無効化する。一方、マイクロ機械加工エタロン１２０が透過性である波長を有するモードは維持される。望ましくは、マイクロ機械加工エタロン１２０は、レーザー共振器の単一の（選択可能な）モードのみが共振できるように構成され、そして、その構成は、以下で説明されている本発明による製造プロセスに従って可能になる。

本発明のモード選択に関する態様について説明すると、図１ｂに描かれているように、マイクロ機械加工エタロン１２０を傾けて入射角を変えることにより、共振器のモードに関して分光透過特性を変化させることができ、これにより、維持するレーザー発振作用のために選択された１つもしくは複数のモードに変えることができるという効果が得られる。代替的に、図１ｃは、マイクロ機械加工エタロン１２０が、エアギャップもしくは真空ギャップ１２４を含むことができ、これは変化させてマイクロ機械加工エタロン１２０の分光透過特性を改変することができ、これにより、光共振器１０３の特定のレーザーモードを選択することができることを示している。

上述の如く詳しく説明されているように、外部共振器レーザー１００は、主として共振器の長さにより定められる多数の利用可能な離散発光波長帯域の中からユーザーが単一の狭帯域発光波長を選択し得る光源として機能することができる。

本発明によれば、光共振器１０３が比較的短い光路長を有しており、従って、複数の縦モードが比較的広く間隔をあけているため、チューニング可能レーザー１１０におけるコンポーネントの複雑さの実質的な低減が実現される。更に、例えば典型的な干渉フィルターよりも比較的に少ない数の誘電体層から構成することができるマイクロ機械加工エタロン１２０などの比較的シンプルな波長弁別装置を使用することにより、モードの選択によるレーザー出力のチューニングを果たすことができる。その上、外部光共振器の長さが短くなったことによる一層広めの間隔をあけた発光波長の選択並びにフィルタリングによってもたらされるシンプル化は、通常のＷＤＭレーザーシステムにおいて普通に見られるような補助的なコンポーネントおよび装置の排除を可能にする。例えば、典型的なチューニング可能レーザーは、圧電調節式の共振器の長さ、熱的なチューニング、およびチューニング可能な回折格子もしくは他のフィルターであって、それぞれが単一の既知の周波数を維持するための情報を提供する制御ループを有する幾つかの複雑なフィードバック機構を必要とすることが多い。本発明は、さらにシンプルなフィードバック機構を提供し、そこでは、例えば、そのシステムの温度が固定されている場合、複数の縦モードの位置が充分な正確さで分かっていて、それ故、チューニング中に観測される光パワーの変調を介して縦モードから縦モードまでのホッピング数を慎重に計数することにより、シンプルでチューニング可能なエレメントが所望のモードを選択することが可能になる。

次に、エタロンの構造について説明すると、図２にエタロン１０２の概略図が示されている。エタロン１０２は、寸法ｄ_０の透明な材料の平板２０６、もしくは、介在するエアーギャップまたは気体材料が充填されたギャップにより隔てられた一対の反射性薄膜誘電体積層膜２０２、２０４を含む。積層膜層２０２、２０４は、薄い金属製反射鏡か、望ましくは、高屈折率材料と低屈折率材料を交互に並べた１／４波長の光学的厚さの層に基づく広帯域誘電体反射鏡かのいずれかを表している。この誘電体反射鏡設計での中心波長は、典型的には、そのレーザーに対する望ましい作動周波数範囲の中央付近になるように選ばれる。エタロン１０２の波長弁別能力は、その多層誘電体積層膜に組み込まれる層の数と共に向上する。各積層膜２０２、２０４における層の数は、望ましくは５０層以上までの範囲に及んでよい。

波長並びに光の入射角θに依存して、エタロン１２０は、入射放射線を高レベルのコントラストを為して反射もしくは透過させる。この効果は、特定の波長範囲を透過させ、且つ、他の波長範囲を反射させることによって入射放射線の波長を選択するために使用することができる。エタロン１２０の典型的な透過スペクトルが図３に示されている。波長の分離および透過帯域の幅、ならびに、透過ピーク３０２と反射ベースライン３０４との間のコントラストは、ある与えられた用途の特定なニーズに合わせることができる。マイクロ機械加工エタロン１２０の透過特性を正確にモデル化し、コンピューターに基づくシミュレーションにより設計の最適化を容易化することができる。マイクロ機械加工エタロン１２０のチューニング、即ち、図３における透過ピークの波長依存性の変更は、幾つかの方法で果たすことができる。例えば、誘電体積層膜間の分離距離ｄ_０を様々に変えることができる。エアーギャップを伴うエタロンの場合には、図１ｃに描かれているように、エアーギャップの分離距離を変えることにより、これを果たすことができる。第二のチューニング方法は、光線の軸に関してエタロン１２０を傾けることであり、これにより入射角が変わり、それに応じてマイクロ機械加工エタロン１２０を通過する光線の透過の様子が変わる。エタロンをチューニングする別の方法は、ギャップ２０６に、例えば電場の適用などによってその屈折率を変えることができる材料を充填することである。

次に、外部共振器レーザー１００の動作について説明すると、レーザー１００の性能を計算する上で、共振器の光路長全体が重要な役割を果たす。ある装置の実効光路長λ_ｅｆｆは、次の式：

［式中、ｄ_ｉおよびｎ_ｉは、その装置を構成しているコンポーネントの厚みおよび屈折率である］として定義することができる。本エタロン１２０の場合、これは、誘電体積層膜の各コンポーネント層ｉに対する屈折率ｎ_ｉと層の厚みｄ_ｉとの積、プラス、物理的なエレメント間のそれぞれのギャップを含め、透明な平板または空気（ｎ＝１）の屈折率ｎ_０と、平板または１つもしくは複数のエアーギャップの厚みｄ_０との積を総和することを必要とする。エレメント間の間隙を満たすためにゲルまたはカプセル化材料が使用されている場合には、ｎ＝１の代わりにその材料の屈折率が用いられる。より詳細には、合計でＮ層の２つの誘電体積層膜からなるエタロンの場合、そのエタロン１２０の実効光路長λ_{ｅｔａ、ｅｆｆ}は：

である。本発明に関しては、説明されているように、そのような光路長を最小化することに対する充分な誘因があり、本発明のマイクロ製造されたマイクロ機械加工エタロン１２０により、そうすることが可能にされている。

光共振器１０３の全光路長λ_{ｃａｖ、ｅｆｆ}が、このレーザーのモードの間隔あけを決定する。名目発光波長がλ_０の場合、隣接する発光モード間の波長間隔Δλは、大凡、以下の式により与えられる：

従って、光共振器の長さλ_{ｃａｖ、ｅｆｆ}を短くすると、一層広く間隔をあけた複数の発光モードがもたらされ、即ち、Δλが増大する。モードの間隔あけは、モード選択の方法および装置に束縛条件および要件を課し、近接して間隔をあけた複数のレーザー発光モードの場合には、高いスペクトル分解能を持ったモード選択手段が必要である。

本発明に関して、図１ａ〜１ｃを参照すると、この光共振器の実効光路長λ_{ｃａｖ、ｅｆｆ}は：

［式中、ｄ_ｌａｓは、レーザー発振エレメント１０２の第一端部表面１０４と第二端部表面１０６との間で測られたレーザーの長さであり、ｎ_ｌａｓは、そのレーザー材料の屈折率であり、ｄ_ｌｅｎｓは、レンズ１１６の軸上の厚みであり、そして、ｎ_ｌｅｎｓは、そのレンズの屈折率である］である。この光共振器の実効光路長は、１つもしくは複数のレンズ並びに１つもしくは複数のエタロン用にマイクロ製造コンポーネントを使用することにより、小さく保つことができる。このようにして小型化されたコンポーネント並びにシステムは、それらが有するコンパクトなシステム統合に関する魅力に加え、外部共振器レーザー１００のモード間隔あけを目的に合わせることに関する一層多くの自由度も提供する。

光共振器の複数のモードの間隔あけ、並びに、その間隔あけとレーザーのチューニングとの関係が図４ａ〜４ｅおよび図５ａ〜５ｈに図示されている。図４ａは、半導体レーザー１０２の利得スペクトル４０２を示している。この利得スペクトル４０２内の波長における発光遷移により発生した光子は、光フィードバックが、レーザー媒体の内部利得が光損失を上回るように提供される限り、レーザー発振に寄与することができる。レーザー発振エレメント１０２の光路との関係で考慮すれば、光共振器１０３は、モード間隔Δλを有する離散的もしくは「櫛状」の一組の波長モード４０４（図４ｂ）を維持するためのそのようなフィードバックを提供する。レーザー１０２の利得帯域幅４０２と重なる光共振器の許容モード４０４が、この共振器のレーザー発光波長を決定する。外部共振器レーザー１００の出力スペクトルが図４ｃに与えられており、この図は、図４ａおよび図４ｂのスペクトルの重畳である。図４ｄの実線は、たとえば図１のマイクロ機械加工エタロン１２０をはじめとする、エタロンの透過帯域スペクトル応答４０３を示しており、これは一つの発光モードを除くすべてのモードを抑制し、従って、図４ｅに示されているような単一モードのレーザー出力４０５を生成すべく機能する。自由スペクトル域（ＦＳＲ）、即ち、波長を弁別するマイクロ機械加工エタロン１２０の透過ピーク４０３間の距離が、（図４ａに示されている如き）レーザー利得帯域幅よりも大きいことが望ましく、さもないと、１つより多くのレーザー発振モードを維持することになることに留意すべきである。同様に、マイクロ機械加工エタロン１２０の半値全幅（ＦＷＨＭ）で測った分解能帯域幅は、モード４０１の不充分な抑制が望ましいモードの選択的な利得を生成するための所望の運転モードとの関係において達成されていない場合に生じる、光共振器１０３により維持されている隣接したレーザーモード４０１の選択を回避できる程度に充分に狭くなければならない。所望のモードと副次モードのパワーの比は、副次モード抑制比として測定することができ、副次モード抑制比の許容可能な値は用途に依存性である。多くのＷＤＭ用途の場合、それらの値は２０ｄＢから４５ｄＢまでである。

更に、マイクロ機械加工エタロン１２０の透過性通過帯域は、図１ｂおよび１ｃへの参照で説明されているように、マイクロ機械加工エタロン１２０を傾けることにより、もしくは、ギャップ間隔を調節することにより、新たな波長域へシフトさせることができる。例えば、このシフトが図４ｄの破線４０３ａで表されており、このケースでは、レーザー１００の異なるモードが選択され、その結果、対応する発光波長４０３ａ（図４ｅの破線）へシフトされるレーザー発光出力がもたらされている。このように、本レーザーシステムは、個別にチューニングすることができ、そこでは、ＷＤＭチャンネルに割り当てられた明瞭且つ安定な一組の発光波長の中から、別個の、充分に分離した波長を選択することができる。ある程度の温度安定性が必要であることに留意すべきであり、そして、その温度安定性は、櫛状の可能な運転モードの許容可能なドリフトにより決定される。この許容可能なドリフトは、チャンネルの間隔に依存し、そして、ＣＷＤＭとＤＷＤＭとでは異なり、また、グリッドの狭さによっても異なる。例えば、５０ＧＨｚ間隔のチャンネル用に設計されたＤＷＤＭシステムは、典型的には、２００ＧＨｚ用に設計されたＤＷＤＭシステムよりもより安定した運転波長が必要となる。温度に関わるドリフトは、主に、レーザー発振エレメント１０２の温度に関わる屈折率の変化によって決まり、次いで、光学的なエレメントが組み立てられる温度（ＣＴＥ）での基体の物理的長さにおける変化と共に、そのシステムで使用されている光学的なエレメントによって決まる。櫛状の波長を断熱化するための様々な方法を用いることができ、例えば、低ＣＴＥ基体上に構築する方法、低ｄＮ／ｄＴの光学的なエレメントを組み込む方法、もしくは、負のｄＮ／ｄＴまたは負のＣＴＥを有する補償用エレメントを組み込む方法などを用いることができる。所望の用途について、例えば熱電冷却器による温度制御以上のものが要求される場合には、そのような構成技術を場合によって用いることができる。

図４に関して説明されている例から、単一の共振器レーザーモードを選択するのに充分なスペクトル分解能を有するエタロンの必要性が示唆される。一つの対照の例として、図５は、外部共振器レーザーがより近接して間隔をあけた複数の発光モードを有している場合を示している。モードの間隔は、共振器の長さに大凡逆比例するので、近接したモードは、外部共振器１０５の長さが図４に示されているものよりも長くなったときに実現される。図４に付随する長さよりも長い長さを有する外部光共振器１０５は、図５ｂの許容される共振器のモードを図４ｂの場合と比較することにより明らかなように、より密集した間隔の複数のモードを呈示する。それらの共振器のモードがより近接した間隔になった場合、即ち、Δλが減少した場合には、選択の標的としたモードと共に隣接したモードを意図せずに選択してしまわないようにするため、エタロン１２０は、より高い弁別能力を備えていなければならず、即ち、充分に低減されたＦＷＨＭを持っていなければならない。より詳細には、光共振器のモード間隔よりも広いＦＷＨＭを有するエタロンの透過応答５０３は、図５ｆの２つの実線による出力発光ピーク５０２および５０４で示されているように、１つより多くのモードを選択するであろう。同様に、別のレーザーモードを選択するためにエタロンの透過帯域５０３ａにシフトされる場合、図５ｆの２つの破線によるレーザー出力ピーク５０６および５０８で示されているように、付加的な隣接したピークが意図せずに選択される。この問題は、図５ｈに示されている単一モードのレーザー出力をもたらす図５ｇに示されている透過帯域スペクトル応答を有する仮定的なエタロンで例証されているように、より高い弁別能力を有するエタロン、即ち、より狭いＦＷＨＭを有するエタロンを使用することにより救済されよう。前の場合と同様、その用途にとって不充分な弁別状態で１以上のモードを選択してしまうことを回避するためには、波長選択装置のＦＳＲも、そのレーザーの利得帯域幅よりも大きくなければならない。

近接して間隔をあけた複数のモードを解像するための別の手法は、それらのモードのサブセットを除去する目的で、外部光共振器１０５に、干渉フィルター、エタロン、もしくは、同様なタイプの波長弁別装置を挿入することである。この場合、結果的に、密集度の低い櫛状の共振器のモードが実現される。図５ｄは、例えばあらゆる他の共振器のモードを減衰させる干渉フィルターの通過帯域応答を示している。この付加的なコンポーネントは、波長を弁別するモード選択装置の分解能要件を低減させるものの、複雑さが増すことを犠牲にしており、更に、共振器内にそのコンポーネントを挿入するための充分なスペースを確保するためには、外部光共振器の長さを余分に長くすることも必要になるであろう。単一のレーザーモードを選択するのに充分な分解能を有するチューニング可能なエタロンであって、その上、より大きなモード選択用コンポーネントもしくは付加的なモード選択用コンポーネントを収容するために外部光共振器を長くする（従って、一層密集して間隔をあけた複数のモードが創出されるため、モードの分解能に関する問題を悪化する）必要がないエタロンを得るする技術が、本発明により与えられる。

レーザー発光モードに関わる実効光路長の他の態様は、エタロンのチューニングに関係する。マイクロ機械加工エタロン１２０を傾けるプロセス、もしくは、エタロンのギャップ距離ｄ_０を変更するプロセスは、エタロンの分光透過特性を変えるために行われ、外部共振器１０５の実効光路長を変更する。その結果として、レーザー発光波長もシフトする。理想的には、この効果は、発光モードスペクトルを安定化させるために最小化され、従って、マイクロ機械加工エタロン１２０に対する設計評価基準は、エタロンのチューニングを作動させることによる外部共振器１０５の実効光路長への影響を減じることである。これは、エタロン１２０に、固体の誘電体の代わりにエアーギャップを組み入れる設計により容易に達成することができ、それは、この場合、ギャップ１２４がエタロンの光路の実質的な部分を構成しており、従って、そのギャップ１２４は、エタロン１２０を傾けたときの共振器の全光路長の変化に寄与しないためである。場合によっては、これらの混乱効果を改善するため、フィードバック制御、付加的な波長ロック用エタロン、もしくは幾何学的な調節手段を組み込むこともできる。

本発明は、外部共振器レーザーをチューニングするために使用されるエタロン１２０に幾つかの重要な特徴をもたらす。第一に、本マイクロ機械加工エタロン１２０は、マイクロ機械加工法により製造することができ、従って、種々の微小光学的物品と適合するだけでなく、比較的コンパクトにすることができる。第二に、本マイクロ機械加工エタロン１２０は、電気機械的な効果によりチューニングすることができ、そこでは、電圧信号が本マイクロ機械加工エタロン１２０の透過特性を変える。第三に、本マイクロ機械加工エタロン１２０の光路長は、従来のエタロンに比べ、比較的小さくすることができる。第四に、本マイクロ機械加工エタロン１２０の場合、チューニングする際の共振器の全光路長における変化への寄与が小さい。以下で検討されているように、これらの特徴は、外部共振器レーザーのモード選択への適用において、大いに有利に利用することができる。

本発明の目的上、このマイクロ機械加工ファブリー・ペロエタロン１２０は、高度に正確で且つ再現性のある光透過特性を有していて、コンパクトであることが望ましく、更に、レーザーモードの選択を実現できるように、本マイクロ機械加工エタロン１２０の分光透過特性をチューニングするための幾つかの能力を備えていることが望ましい。望ましくは、本マイクロ機械加工エタロン１２０のチューニングは、電気的な制御下において行われる。この目的を達成するため、マイクロ機械加工エタロン１２０の透過特性は、例えば１以上の幾つかの電気機械的な効果により変えられ、結果として、チューニング可能なマイクロ機械加工エタロン１２０の１つもしくは複数の透過性通過帯域の中央に位置する波長が加えられる電圧の関数となる。

本発明による一つの特定なエタロンの構造６００の横断面図が図６ａに示されている。このエタロン６００は、マイクロエレクトロニクス産業において普通に使用されるタイプのシリコンウェーハなどのプレートまたは基体６０２中に製造することができる。この基体６０２の一方の側に、勾配付きの側壁６０５を伴う凹部６０４を形成することができる。この独特な構成は、エッチングが酸化物もしくは高濃度ドープトシリコンなどのエッチストップ層で止まる＜１００＞シリコンにおけるウェット異方性エッチングにより製造される共振器の典型的なものであろう。深反応性イオンエッチング（ｄｅｅｐ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）などの他のエッチング手段も使用することができよう。基体６０２の凹部６０４が形成される側を、エタロンの「裏面」６０６と呼ぶことにする。基体６０２とは異なる材料でできたスペーサー層６０８が、基体６０２の凹部６０４とは反対の側に形成される。スペーサー層外側表面６０７を、エタロン６００の「前面」６０７と呼ぶことにする。誘電体の多層薄膜積層被膜６１２、６１４が、それぞれ、エタロンの前面６０７および裏面６０６を覆っている。基体６０２の平らな前面に形成されたこの前側の被膜６１２は、高度に平坦である。裏側の被膜６１４は、共形的であり、凹部の側壁６０５、底部６０３、および裏面６０６を一様に覆っている。凹部６０４上を中心にして、２つの誘電体積層膜６１２、６１４の間にエアーギャップ６１６を設けてもよい。エアーギャップ６１６は、上側の誘電体積層膜６１２に形成されたエッチ穴を通じてスペーサー層６０８をエッチングすることにより創出することができる。それらの多層誘電体被膜６１２、６１４は、層の数、層の順序、層の屈折率、および層の厚みに関して述べれば、薄膜光学の技術分野において広く知られているようにして、例えば、光コンポーネント上における反射膜および反射防止膜の生成でルーチン的に利用されているようにして、誘電体反射鏡として機能させるべく構成することができる。例えば、被膜６１２、６１４は、二酸化ケイ素（屈折率、約１．４６）と窒化ケイ素（屈折率、約２．０）の交互の層から構成することができる。それらの干渉フィルターのコンポーネント層の光学的な厚み（即ち、対象波長におけるその層の材料の屈折率を掛け算した実際の物理的厚み）は、そのレーザー光発光波長の４分の１波長、もしくはそれの倍数に相当するように製造することができる。前側の誘電体被膜６１２と裏側の誘電体被膜６１４は共に、それらの前側および裏側の被膜６１２、６１４の両者が、同じと言ってよいほどの光学的特性並びに透過特性を有するようにして同じプロセスで堆積させることができる。それらの誘電体層を堆積させる適当な方法は、熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタ蒸着法、および化学気相蒸着法を含む。化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、例えば低圧ＣＶＤおよびプラズマ増強ＣＶＤ、および、原子層堆積法は、それらが共形的であり、且つ、前面の被膜６１２と裏面の被膜６１４の両者を同時に堆積させるために使用することができるため、魅力的な選択肢である。図６ａのマイクロ機械加工エタロン１２０の構造は、図２に示されているエタロンの基本的な特徴を具体化したものであり、即ち、２つの干渉フィルターが、エアーギャップもしくは透明な材料の平板により隔てられている。

次に、エタロン６００の製造について説明すると、本発明はエタロン６００の製造方法も提供し、これは図６ｂから６ｈまでに描かれている一連のステップで示されている。図６ａから６ｆまで、および、図６ｈは横断面視側面図であり、そして、図６ｇは上面視平面図である。ここで説明されている技術は、確立されていて且つ便利なマイクロ製造テクノロジーを望ましい状態で使用し得る一連のステップを例証するものではあるが、当業者にとっては、これらのステップに多くの変形態様が存在し、また、これらのステップに対する代替的なステップでも、実質的に同じ特性並びに機能を持った構造物を製造できることが明らかであることを理解すべきである。

図６ｂにおいて、スペーサー材料層６０８が、シリコンウェーハなどの基体６０２上に堆積され、もしくは、別な仕方で形成される。両側を研磨された、単結晶シリコンウェーハは、その表面が滑らかで且つ平坦であり、その上、エッチング特性が制御可能であるため、基体６０２として良好な選択枝である。候補となる他の基体としては、ガラス、セラミック、溶融シリカ、石英、もしくは他のタイプの半導体ウェーハが挙げられる。典型的には、シリコン基体６０２は、約０．５ミリメートルの厚みを有し、そして、スペーサー層６０８は、２ミクロンから３０ミクロンまでの範囲の厚みを有するであろう。代替的に、基体６０２は、〜０．５ｍｍの厚みのシリコンウェーハを２〜３０ミクロンの厚みの堆積シリコン層から分離する、０．１ミクロンから２ミクロンの厚みの埋込み二酸化ケイ素層を有する絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）構造であってよい。基体は、凹部６０４の形成により、すべての基体材料がレーザービームの光路から取り除かれるため、レーザー波長に対して透明なものでなくてよいことに留意すべきである。材料を選択する際の主要な判定基準は、スペーサー層の材料との関係において、その基体材料を選択的にエッチングできることである。多くの材料の組み合わせがこの要件を満たし、例えば基体６０２としての非ドープトもしくは低濃度ドープトシリコン基体ウェーハ上に堆積されたホウ素−または他の不純物−ドープトシリコンスペーサー層６０８、あるいは、サファイア基体６０２上に堆積されたシリコンスペーサー層６０８が挙げられる。前者の場合には、スペーサー層６０８をドーピングすることにより、その層がエッチングに対して抵抗性になり、一方、非ドープトもしくは低濃度ドープトシリコンがエッチングされることとなる。

一つの望ましい実施態様では、基体６０２は、単結晶シリコンウェーハであり、そして、スペーサー材料６０８は、高濃度ホウ素−ドープトシリコンであることができる。ホウ素−ドープトシリコン層６０８は、エピタキシャル成長、あるいはシリコンウェーハ６０２内へのホウ素−ドープト層のイオン注入により形成することができる。

図６ｃに示されているように、基体６０２を通じて形成された勾配付きの穴の形態における凹部６０４は、ストップ−エッチバリヤーとして作用するスペーサー層６０８（もしくは、ＳＯＩシリコンウェーハの場合には、スペーサー層と接触している酸化物がエッチストップを提供する）を伴う基体６０２を通じてエッチングすることができる。例えば（１００）シリコンなどのシリコン基体６０２の場合には、凹部６０４の側壁の勾配をもたらすための異方性エッチング液として水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液を用いることができる。この目的で使用することができる他のシリコンエッチング液としては、ヒドラジンおよびＥＤＰ（エチレンジアミンピラカテコール）が挙げられる。更に、等方性エッチング液も使用することができ、これはセラミックスなどの他の基体材料を用いる場合に典型的である。そのようなエッチング液の望ましい特性は、エッチング液が、スペーサー層の材料よりも速く基体材料を除去することである。代替的に、ＳＯＩウェーハの場合には、埋込み酸化物層に対するエッチング液の選択性が要求される。スペーサー層６０８における凹部６０４の典型的な直径は１００ミクロンから５００ミクロンまでであるが、この寸法は、用途、並びに、光共振器１０３内におけるレーザー発振エレメント１０２のビームウエストサイズによって大きく変わり得る。

図６ｄに示されているように、光学的な干渉フィルターを形成する多層薄膜誘電体積層膜６１２が基体の前面６０７に形成され、そして、誘電体積層膜６１４が基体の裏面６０６に形成される。高屈折率と低屈折率が交互し、且つ、４分の１波長の厚みを有する多層構造は、薄膜光学の分野において広く使用されている方法により設計し、堆積させることができる。それらの層は、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、または、金属酸化物並びに窒化ガリウムもしくはシリコンカーバイドなどのワイドバンドギャップ半導体を含む他の誘電体材料から構成することができる。前側もしくは裏側の誘電体積層膜の典型的な合計の厚みは、層の数並びにその設計での中心波長に応じて、２ミクロンから１５ミクロンまでとすることができる。

図６ｅに示されているように、前側の誘電体積層膜６１２に、一組の穴６１８を形成することができる。それらの穴は、下層を為すスペーサー層６０８を露出させ、これにより、エッチングのため、スペーサー層にアクセスすることが可能になる。それらの穴６１８は、ウェットエッチングもしくはドライエッチング（例えば、反応性イオンエッチング）との組み合わせにおけるフォトリソグラフィーにより、または、レーザーによる穴あけなどの他の手段により定めることができる。それらの穴６１８は、凹部６０４の上方に位置付けてもよいし、あるいは、凹部６０４の辺縁に位置付けてもよく、更には、基体６０２の上方に位置付けることもできる。典型的な穴の直径は、１０ミクロンから５０ミクロンまでであってよい。図６ｆに示されているように、スペーサー層６０８のうち、凹部６０４の真上に位置する部分は、エッチングによって除去され、これにより、前側の誘電体積層膜６１２と裏側の誘電体積層膜６１４との間にエアーギャップ６１６が残ることとなり、そこでは、ギャップ６１６が凹部６０４と整列した状態に為されている。

上述の如くに説明されているスペーサー層６０８のエッチングは、基体６０２およびスペーサー層６０８に対する幾つかの材料の組み合わせを用いて、且つ、数多くのエッチング液配合物を用いて実行することができる。もし、例えば、スペーサー層６０８が非ドープトシリコンもしくはホウ素−ドープトシリコンであり、そして、基体６０２がシリコンである場合には、二フッ化キセノンを用いてスペーサー層６０８をエッチングすることができる。二フッ化キセノンガスは、容易にシリコンを等方的にエッチングするが、基体６０２は、窒化物および酸化物などの誘電体の層で被覆されているため、無傷のまま残る。液状のエッチング剤も使用することができる。そのエッチング液は、基体６０２の幾分かの僅かなエッチングは許容され得るが、誘電体積層膜層６１２、６１４を顕著にエッチングしたり、粗面化すべきではない。スペーサー層６０８の一部をエッチングする結果として、前側の誘電体積層膜層６１２の一部６２０がエアーギャップ６１６上に浮かぶ。

スペーサー層６０８をエッチングする際の一つの例証的な穴のパターンの上面視平面図が図６ｇに示されており、これは８個の穴６１８を正方形のパターンの周りに配列した場合について描かれている。図６ｇの破線による矩形は、２つの平行な誘電体積層膜反射鏡６１２、６１４が、エッチングによりスペーサー層６０８からくり抜かれたギャップ６１６によって隔てられる領域の大凡の範囲を示している。図６ｇにおける破線による矩形は、また、前側の薄膜誘電体積層膜層６１２のうち、図６ｆにおいて参照番号６２０で表されている、エアーギャップ６１６上の浮いた部分の上面視平面図にも大凡対応している。この領域は、エタロン６００の光学的な機能性を有する部分として働き、レーザービームに対して光学的な干渉効果をもたらす。凹部６０４を取り囲むエッチングされていない基体部分（即ち、図６ｇの上面視平面図における矩形の破線領域の外側の領域、または、それに対応して、図６ｆの横断面図において参照番号（６２２）で表されている基体部分）は、エタロン６００に機械的な安定性を与え、また、エタロン６００を取り扱い、エタロン６００を光共振器１０３に取り付けるための便利なハンドルとしても機能する。また、基体６０２は、エタロン６００の正確な位置付け並びに配向を容易化するための基準面の取り付けおよび整列にも役立ち得る。マイクロ機械加工エタロン６００のこの幾何学的設計により、凹部６０４の周囲にある、部分６２２で表されている如き、基体６０２の比較的嵩高い部分は、エタロン６００の光路長に寄与しない。そのような設計においては、それらの被膜層に必要な正味の応力は、典型的には、望ましい正味の小さな引張り応力で制御されよう。

エタロン６００は、エタロンのチューニングを可能にするための付加的な構造を備えることができる。静電駆動式エタロン６００の図６ｈの概略的な横断面図に示されているように、導電性電極６２４が、エアーギャップ６１６上に浮いた前側の誘電体積層膜領域６２０の外側に形成される。この一組の電極６２４は、共同的に使用され、即ち、電気的に接続されている。基体６０２が充分に導電性である場合、それらの電極は対電極として機能することができる。代替的に、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層からなるものをはじめとする、第二の導電性パッドの形態における対電極６２６を、裏側の誘電体積層膜層６１４の外側表面に対電極６２６として堆積させることができる。酸化スズおよびＩＴＯは、光ファイバー通信の用途において対象となり得る波長に透過性であり、従って、光路の不明瞭化が回避されるという利点を有している。電極６２４と１つもしくは複数の対電極６２６との間に印可される電圧が、浮いた状態の誘電体積層膜６２０を引っ張る静電力、もしくは押しやる静電力をもたらし、これにより、誘電体積層膜６１４と６２０との間のエアーギャップ６１６の間隔が変わる。これは、エタロン６００の透過特性を変え、詳細には、（図３の参照番号３０２で表されている）狭い透過帯域の波長をシフトさせる。従って、このエタロンの構造は、透過帯域の変調手段を提供し、事実上、加えられる電気信号により波長をチューニングする手段を提供する。

外部共振器レーザー１００におけるマイクロ機械加工エタロン１２０として使用するためのエタロン７００の一つの代替的な実施態様が図７ｄに示されており、図７ａから７ｄには、それを製造するための一つの例証的な一連のステップが示されている。図７ａは、基体７０２を示しており、その一方の側７０３上に誘電体積層膜７０４が形成される。この誘電体積層膜７０４は、図６に関して説明されている誘電体積層膜６１２、６１４と構造的に、組成的に、および機能的に同様であってよい。図７ｂは、分離した別の基体７０６を示しており、その基体の一方の側７０５には、マスキングおよび制御されたエッチングもしくはミリングにより浅い凹部７０８が形成されており、そして、その基体の同じ側７０５は、誘電体積層膜７１０で共形的に被覆されている。図７ｃに示されているように、２つの基体７０２、７０６は、一緒に並べられて合わされ、もしくは結合され、凹部７０８が、誘電体積層膜７０４および７１０により両側が結合された内部空隙またはエアーギャップ７１２をもたらす。この構成は、図７ｃに示されているような、エアーギャップの間隔ｄを有するエタロン７００を提供する。図７ｄに示されているように、両基体７０２、７０６の一部は、整列した凹部７１４および７１６を形成すべく取り除かれ、エアーギャップ７１２に結合している２つの自立した誘電体積層膜７１８および７２０が露出される。図６ｇに関して説明されているのと同様に、エタロンのギャップ７１２を静電駆動し、電気的に制御されたチューニングを行うため、導電性パッドまたは導電性酸化物フィルムのいずれかの形態における電極を両方の自立積層膜に適用することができる。

実施例
本発明の一つの重要な特徴は、マイクロ機械加工エタロンのコンパクトさと、それに伴う光共振器１０３の光路長の短縮が、より最適なモードの間隔あけ、およびよりシンプルなモード選択手段を容易化することである。本発明のこれらの態様が、以下のモデリングおよびシミュレーション実施例において更に具体化される。

図８ａは、光共振器の全実効光路長ｌ_{ｃａｖ、ｅｆｆ}が２４ｍｍの場合に対して算出された、１５５０ｎｍの波長を中心にしたスペクトル範囲における櫛状の縦波長モードを示している。モードの間隔は約０．５ｎｍである。図８ｂは、レーザー共振器の全光路長が１２ｍｍに短縮されている点を除き、同様のシミュレーションから得られた結果を示している。予想通り、モード間隔は、第一の実施例の場合より増加し、約１ｎｍとなっている。図８ａおよび８ｂは、光共振器の長さがモード間隔に及ぼす影響を示しており、光共振器が短くなると、一層広く間隔をあけたモードがもたらされ、波長を弁別するモード選択装置に対する厳しい分解能要件が緩和されることを示している。

図８ｃ（粗詳細図）および図８ｄ（微細詳細図）は、５．８ミクロンのエアーギャップにより隔てられ、各層が４分の１波長の厚み（＝λ／４ｎ、ここで、λ＝１５５０ｎｍであり、ｎは、適宜、二酸化ケイ素または窒化ケイ素に対する屈折率である）を有する２０層の窒化ケイ素と二酸化ケイ素が交互する層からなる２つの誘電体積層膜から構成されたエタロンの算出分光透過特性を示している。透過性通過帯域のＦＷＨＭは約０．３ｎｍである。このエタロンのＦＳＲ（自由スペクトル域）、即ち隣接した透過性通過帯域ピーク間の波長間隔、は約９０ｎｍである。このＦＳＲは、典型的な１５５０ｎｍの波長における発光レーザーの利得帯域幅よりも充分に大きく、これは図４および５に関連した検討において１つより多くのレーザーモードが維持されることを回避するために求められた要件である。更に、この例証的なマイクロ製造エタロンの分解能は、長さ１２ｍｍの光共振器の場合における隣接したピークを分解するのに充分である。図８ｄに見られるように、ピーク透過の１ｎｍ以内でモードに約１５ｄＢの減衰が存在する。これらのすべての実施例はシングルパスでの計算であり、一方、ダブルパスの場合には、通過帯域間の減衰が実質的に増大するであろう。ある与えられた適用で求められる減衰は、使用されるレーザー発振エレメントの利得曲線を含め、幾つかの変数に依存するであろう。達成される抑制は、それらの誘電体反射鏡における層の数を増加もしくは減少させることにより容易に調節することができる。

ギャップ調節に関して上で説明されているエタロンの潜在的なチューニング能力が、図８ｅに図示されている３つの分光透過曲線により示されている。５．８ミクロンのエアーギャップを８ｎｍずつ短くすることにより、結果として透過ピークが短波長側へ識別できる程度にシフトし、これはそれぞれ曲線８０２、８０４、および８０６で示されている。曲線８０２は、５．８２０ミクロンのギャップを有するエタロンに対する曲線である。曲線８０４は、そのギャップを８ｎｍ短縮して５．８１２ミクロンにした場合の曲線であり、曲線８０６は、更にこのギャップを５．８０４ミクロンにまで短縮した場合の曲線である。従って、このシミュレーションは、静電駆動効果により容易に得られるようなエアーギャップの比較的穏やかな変更が、１２ｍｍの実効光路長を有する光共振器１０３中に存在する、１ミクロンのモード間隔に対する有用な波長弁別をもたらすことを示している。１度から３５度までの角度にわたってマイクロ機械加工エタロン１２０を傾けることによっても、透過特性の同様な変更がもたらされるであろう。

本発明の一つの特定な実施例においては、光路長に寄与する典型的な因子は以下のものであり得る：
ｉ． ｄ_ｌａｓ＝２５０ミクロンの物理的長さと約８５０ミクロンの光路長を有する端面発光型レーザー１０２。
ｉｉ． Ｓｐｉｎｅｌ製で、約７２０ミクロンの光路長を有し、直径が４００ミクロンの、反射防止膜被覆球面レンズ１１６。
ｉｉｉ． １０層から２０層の窒化ケイ素および二酸化ケイ素の層からなるチューニング可能なエタロン１２０であって、ウェーハの周辺領域から形成されたフレームに支持され、そこから例えば図６ｇに示されているようなエタロン１２０が形成されることを特徴とするエタロン。結果的に得られるエタロンの光路長は約５００ミクロンであり、この厚みは、そこにエタロン１２０が形成されるシリコンウェーハの挿入を可能に為すスペースに基づくものであることに留意すべきである。このレーザービームの光路は、シリコン基体に形成された凹部に制限されているので、その光路がシリコンを透過することによって増大することはない。

これらの３つのエレメント（レーザー発振エレメント１０２、エタロン１２０、およびレンズ１１６）間のスペースは、合計で１ミリメートル未満にすることができる。

これらの光路を以下のように総和すると：８５０ミクロン（レーザー）＋７２０ミクロン（レンズ）＋５１５ミクロン（エタロン）＋１ミリメートル（ギャップ間隔）＝〜３ミリメートル；約３ミリメートルの最小全光路長が得られる。従って、これらのエレメントは、所望の櫛状間隔あけに応じて、より余裕を持って、もしくは、より広く間隔をあけて位置付けることができる。

また、本発明は、光検出器でレーザー出力をモニタリングすることにより、マイクロ機械加工されたチューニング可能なエタロンを用いてレーザー発光波長をシンプル且つ正確に制御する方法も提供し、その一つの例証的な実施形態が図９ａに概略的に示されている。図９ａに示されているシステムは、レーザー９０２、コリメーティングレンズ９０４、並びに、それらの間に光共振器９１０を定めるミラー９０６および高反射性膜被覆ファセット９０８を含んでいる。レーザービーム出力９１２は、その被覆ファセット９０８を通じて透過される。また、このシステムは、上述の出力ビーム９１２上に配置されたビームスプリッター９１４、出力ビーム９１２の分割部分を受光するための光検出器９１６、パルス計数回路９１８、制御装置９２０、および、マイクロ機械加工エタロン９２４を駆動するためのサーキットリー９２２も含んでいる。このように配列された光検出器９１６がレーザー出力を連続的にモニタリングする。レーザーがモード間で切り替わると、もしくは、モード間でホッピングすると、その光出力に短時間の中断が生じ、その中断を検出してパルスとして記録することができる。制御装置９２０がこの電気的に駆動されるエタロンをあるスペクトル範囲にわたって掃引するので、計数回路９１８は、固定された複数の波長発光モードを有するシステムでの発光波長を意味するモードホッピングの発生を感知し、且つ、モードホッピングの回数を数えることができる。次いで、検出器９１６は、所望の運転モードにおける最適なパワーを得るべく、エタロン９２４を最適に位置付けるためのフィードバックを提供することができる。櫛状の複数のモードの絶対的な位置付けは、組み立てプロセス中に設定することができ、もしくは、ＴＥＣに基づき、システムの温度を櫛状の縦モードからなる複数のモードが所望通りに中央に位置付けられる温度にチューニングすることにより設定することができる。

図９ａに描かれているシステムの場合には、ある誤動作、ノイズの影響、もしくは他の事故が原因となって、モードホッピングカウンターがモードを追跡し損ない、結果的にモードオフセットエラーがもたらされる可能性がある。代替的に、全光路長を可変性に為すと、始動モードに変動性がもたらされる可能性がある。これは、図９ｂに示されているように、そのシステムが固定の基準点を確立するために使用することができるホームチャンネル波長を確立することにより救済することができる。図９ｂのシステムは、第二のビームスプリッター９２６、「ホーム」チャンネルにチューニングされた光フィルター９２８、および第二の光検出器９３０が付け加えられている点を除き、図９ａのシステムと同様である。光フィルター９２８の代わりに、回折格子、プリズム、エタロン、もしくは同様な装置を使用することもできる。第二のビームスプリッター９２６は、レーザー出力を連続的にサンプリングし、サンプリングされたそのレーザー出力は、基準波長のレーザー出力のみを第二光検出器９３０へ透過させるナローパス光干渉フィルター９２８を通じてフィルタリングされる。第二光検出器９３０で記録された信号は、レーザー９０２が、その基準波長に対応するモードで運転されていることを指示する。従って、制御装置９２０は、ランピング電圧を用いてエタロン９２４を駆動させることにより、それらのモードを通じて掃引することができ、そして、その掃引で横断されたモードの数を光検出器９１６および計数回路９１８で数えることができる。従って、レーザー９０２は、基準モードからのモードホッピングの回数を計数することにより、あらゆる所望のモードにチューニングすることができる。

当業者にとっては、本発明のこれらの利点並びに他の利点は、先述の詳細な説明から明らかであろう。従って、当業者であれば、本発明の広範な創意に富んだ概念から逸脱することなく、上述の実施態様に様々な変更または改変を為し得ることが認識されよう。それ故、本発明は、本明細書で説明されている特定の実施態様に限定されるものではなく、請求項で明らかにされている通りの本発明の範囲並びに精神内に収まるすべての変更および改変を含めるべく意図されていることを認識すべきである。

図１ａ〜１ｃは、本発明によるエタロンをモードフィルタリング装置もしくはモード選択装置として使用する外部共振器レーザーの様々な実施形態を概略的に描いており、図１ａは静的なエタロンを伴う概略図であり、図１ｂは傾斜可能なエタロンを伴う概略図であり、そして、図１ｃはギャップ可変式エタロンを伴う概略図である。 図２は、干渉反射鏡として機能する多層誘電体積層膜で両側を被覆された誘電体平板を含んでなる通常のエタロンを概略的に描いている。 図３は、エタロンの典型的な分光透過特性を示している。 図４ａ〜４ｅは、外部共振器端面発光型レーザーについての関連する分光特性を示しており、特に外部光共振器の長さが比較的短く、その結果として広く間隔をあけた複数のモードがもたらされるケースを詳細に例証する：４ａは、レーザー利得帯域幅を示しており；４ｂは、光共振器の複数のモードを示しており；４ｃは、許容されるレーザー発光モードを示しており；４ｄは、モード選択装置の特定の設定に対するスペクトル応答を示しており；そして、４ｅは、４ｄに示されているモード選定に対する、選択されたレーザー発光出力を示している。 図５ａ〜５ｈは、外部共振器端面発光型レーザーについての関連する分光特性を示しており、特に外部光共振器の長さが比較的長く、その結果として近接して間隔をあけた複数のモードがもたらされるケースを詳細に例証する：５ａは、レーザー利得帯域幅を示しており；５ｂは、光共振器の複数のモードを示しており；５ｃは、許容されるレーザー発光モードを示しており；５ｄは、モードの数を低減するモードフィルターを示しており；５ｅは、あまり高くない分解能を有するモード選択装置の特定の設定に対するスペクトル応答を示しており；５ｆは、図５ｅのモードセレクターを用いることから得られる、選択されたレーザー発光出力であって、隣接したモードの意図しない選択を示しており；５ｇは、５ｅに示されているものと比較して改善された分解能を有するモード選択装置の特定の設定に対するスペクトル応答を示しており；そして、５ｈは、５ｇに示されているモード選定に対するレーザー発光出力を示している。 図６ａは、多層誘電体積層膜で両側に共形的に被覆された凹部を有する基体を含んでなるマイクロ機械加工エタロンを概略的に描いている。 図６ｂ〜６ｈは、図６ａに示されているマイクロ機械加工エタロンを作るために使用される製造ステップのシーケンスを概略的に描いている：図６ｂは、その上にスペーサー層が形成される基体を示している。 図６ｂ〜６ｈは、図６ａに示されているマイクロ機械加工エタロンを作るために使用される製造ステップのシーケンスを概略的に描いている：図６ｃは、前述の基体上に形成された凹部を示している。 図６ｂ〜６ｈは、図６ａに示されているマイクロ機械加工エタロンを作るために使用される製造ステップのシーケンスを概略的に描いている：図６ｄは、エタロンの両方の表面に形成された多層誘電体積層膜の共形的な被覆を示している。 図６ｂ〜６ｈは、図６ａに示されているマイクロ機械加工エタロンを作るために使用される製造ステップのシーケンスを概略的に描いている：図６ｅは、スペーサー層をエッチングするための穴の形成を示している。 図６ｂ〜６ｈは、図６ａに示されているマイクロ機械加工エタロンを作るために使用される製造ステップのシーケンスを概略的に描いている：図６ｆは、エアーギャップを形成するためのスペーサー層のエッチングを示している。 図６ｂ〜６ｈは、図６ａに示されているマイクロ機械加工エタロンを作るために使用される製造ステップのシーケンスを概略的に描いている：図６ｇは、マイクロ機械加工されたエタロンの上面図であって、穴並びにスペーサー層の除去領域を示している 図６ｂ〜６ｈは、図６ａに示されているマイクロ機械加工エタロンを作るために使用される製造ステップのシーケンスを概略的に描いている：図６ｈは、前述のエアーギャップを変えることによってチューニングを作動させるための電極の適用を示している。 図７ａ〜７ｄは、一方の側が薄い多層誘電体積層膜で被覆された基体（図７ａ）、勾配付きの凹部を伴い、且つ、一方の側が多層誘電体積層膜で被覆された別の基体（図７ｂ）、上述の２つの基体を一緒に結合することにより形成される複合構造（図７ｃ）、および、前述の複合体の両側における凹部形成（図７ｄ）からなる、マイクロ機械加工エタロンの代替的な実施態様を概略的に描いている。 図８ａは、長さ２４ｍｍのファブリー・ペロ光共振器でのモードを示す一つのシミュレーションを図示している。 図８ｂは、長さ１２ｍｍのファブリー・ペロ光共振器でのモードを示す一つのシミュレーションを図示している。 図８ｃは、マイクロ機械加工エタロンの分光透過特性を示す一つのシミュレーションを図示している。 図８ｄは、マイクロ機械加工エタロンの一つの分光透過ピークを更に微細に詳しく示す一つのシミュレーションを図示している。 図８ｅは、マイクロ機械加工エタロンの分光透過特性を示す一つのシミュレーションを図示しており、このシミュレーションでは、エアーギャップの間隔が変えられ、結果として、透過ピークがシフトする様子が図示されている。 図９ａは、モード計数能力並びにモード選択能力を備えたチューニング可能外部光共振器レーザーシステムを概略的に図示している。図９ｂは、モード計数能力並びにモード選択能力を備え、且つ、そのレーザー発光モードを確証するための基準周波数感知手段を備えたチューニング可能外部光共振器レーザーシステムを概略的に図示している。

符号の説明

１００ 外部共振器単一モードレーザー
１０２ レーザー発振エレメント
１０３ レーザー光共振器
１０４、１０６ レーザー発振エレメント端部表面
１０５ レーザー発振エレメント１０２の外側の共振器部分
１０８、１１０ 反射鏡
１１２ 反射防止膜
１１４ レーザー出力ビーム
１１６ レンズ
１１８ コリメーティングレンズ
１２０ マイクロ製造エタロン
１２４ 透明な平板もしくはエアーギャップ
２０２、２０４ 薄膜多層誘電体積層膜
２０６ 平板
３０２ 透過ピーク
３０４ 反射ベースライン
４０１ レーザーモード
４０２ 半導体レーザー１０２の利得スペクトル
４０３ エタロンの透過帯域応答スペクトル
４０３ａ エタロン１２０を傾けることに対応する発光スペクトル
４０４ 波長モード
４０５ レーザー出力
４０５ａ エタロン１２０を傾けることに対応するレーザー出力
５０１ レーザーの利得スペクトル
５０３、５０３ａ エタロンの透過応答スペクトル
５０２、５０４ 出力発光ピーク
５０６、５０８ レーザー出力ピーク
６００ エタロン
６０２ 基体
６０３ 凹部の底部
６０４ 凹部
６０５ 勾配付きの側壁
６０６ スペーサー層の前面
６０７ スペーサー層外側表面（スペーサー層の前面）
６０８ スペーサー層
６１２、６１４ 誘電体積層膜
６１６ エアーギャップ
６１８ 穴
６２０ 前側の誘電体積層膜層６１２の一部
６２４ 導電性電極
６２６ 対電極
７００ エタロン
７０２、７０６ 基体
７０３ 基体７０２の一方の側
７０５ 基体７０６の一方の側
７０４、７１０ 誘電体積層膜
７１２ 内部空隙またはエアーギャップ
７１４、７１６ 凹部
７１８、７２０ 誘電体積層膜
９０２ レーザー
９０４ コリメーティングレンズ
９０６ ミラー
９０８ 被覆ファセット
９１０ 光共振器
９１２ レーザービーム出力
９１４ ビームスプリッター
９１６ 光検出器
９１８ パルス計数回路
９２０ 制御装置
９２２ サーキットリー
９２４ マイクロ機械加工エタロン
９２６ 第二のビームスプリッター
９２８ 光フィルター
９３０ 第二光検出器

Claims (9)

1. マイクロ製造エタロンを製造するための方法であって、当該方法が：
   第一および第二の対向する表面を有する結晶性基体を提供するステップ；
   上記基体の該第一表面上にスペーサー層を提供するステップであって、該スペーサー層が外側表面を有する、スペーサー層の提供ステップ；
   上記基体を通って該第一表面から該第二表面まで延びる凹部を形成するステップであって、該凹部が上記スペーサー層の露出されている部分に隣接した底部を有する、凹部の形成ステップ；および
   上記スペーサー層の該外側表面上に第一の干渉フィルター、および上記スペーサー層の該露出されている部分上に第二の干渉フィルターの配置を同じプロセスで行うことにより、前記干渉フィルター間にエタロンを提供するステップ；
   を含む、マイクロ製造エタロンの製造方法。
2. 前記凹部に隣接した上記スペーサー層の部分を取り除き、上記干渉フィルター間にギャ
   ップを提供するステップを含む、請求項１記載のマイクロ製造エタロンの製造方法。
3. 上記ギャップに近接した位置に導電性電極を提供するステップであって、前記電極が、該ギャップの間隔を変化させるべく、反発力もしくは引力を提供するように構成されている、導電性電極の提供ステップを含む、請求項２記載のマイクロ製造エタロンの製造方法。
4. 上記凹部の形成ステップが前記基体の異方性エッチングを含む、請求項１から３のいずれか１項記載のマイクロ製造エタロンの製造方法。
5. マイクロ製造エタロンであって、当該エタロンが：
   第一および第二の対向する表面を有する結晶性基体；
   上記基体の該第一表面上に配置されたスペーサー層であって、該スペーサー層が外側表面を有している、スペーサー層；
   上記基体を通って該第一表面から該第二表面まで延びる凹部であって、該凹部が上記スペーサー層の露出されている部分に隣接した底部を有する、凹部；並びに
   上記スペーサー層の該外側表面上に配置された第一の干渉フィルター、および、上記スペーサー層の該露出されている部分上に配置された第二の干渉フィルターであって、前記干渉フィルター間にエタロンを提供する、第一および第二の干渉フィルター；
   を含み、前記第一の干渉フィルターおよび第二の干渉フィルターの配置が同じプロセスで行われている、
   マイクロ製造エタロン。
6. 外部共振器半導体レーザーであって、当該レーザーが：
   光放射線のソースを提供するためのレーザー利得媒体；
   前記利得媒体と光学的に連通した状態で配置された外部光共振器であって、該共振器は、単一波長選択装置が単一の縦レーザー発振モードを選択し且つ維持できるようにするのに充分に短い寸法である、外部光共振器；および
   単一の縦レーザー発振モードを選択し且つ維持すべく、前記外部光共振器内に配置された単一波長選択装置；
   を含み、前記単一波長選択装置が請求項５に記載のマイクロ製造エタロンを含む、外部共振器半導体レーザー。
7. 前記エタロンが、第一の縦モードもしくは第二の縦モードにおけるレーザー発振をもたらすため、第一の寸法から第二の寸法へ調節可能な可変式スペースギャップを含む、請求項６記載の外部共振器半導体レーザー。
8. 前記エタロンが、上記ギャップの間隔を変更するための反発力もしくは引力を提供するために該ギャップに近接して配置された電極を含む、請求項７記載の外部共振器半導体レーザー。
9. 前記波長選択装置が単結晶シリコンを含む、請求項６から８のいずれか１項記載の外部共振器半導体レーザー。
   

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